- 新型水凝胶能在接触近红外光后持续化学反应四周。
- 研究灵感来自含羞草和变色龙等生物的变形能力。
- STERS系统结合液态金属颗粒与乙烯基单体以驱动反应。
- 临床应用面临多项挑战，包括组织匹配及外部刺激控制。
中国研究人员开发的一种新型变形水凝胶能够在单次接触近红外光后，引发持续长达四周的化学反应。该团队创建此材料以模仿缓慢的生物变化过程，包括伤口修复和胚胎发育。其系统名为 STERS，使用基于镓的液态金属颗粒来支持反应，逐渐改变凝胶的形状，为适应性组织支架、大脑机械接口及柔性机器人提供潜在平台。该研究包括对干细胞和用于监测大鼠胚胎发育过程中电信号的电极进行的实验室演示。
研究作者、中国科学院深圳先进技术研究院教授杜学民表示，他的智能材料研究受到含羞草和变色龙等生物的启发。他指出，变形材料的进展十分迅速，某些变化现在可在毫秒内发生。然而，较慢的生物过程则带来不同的挑战。他表示：“我意识到，虽然生物体会迅速变形，但也会经历缓慢的长期演化转变”，他提到伤口修复和胚胎发育等过程。组织工程支架通常携带活性物质以支持愈合。杜指出，现有材料要么变化过快，要么无法变形。
模仿自然界的变形过程
他表示：“因此我想知道是否可以模仿自然界中这些较慢的形态变化过程，以构建缓慢变形的材料。”
STERS 的全名为时空演化反应物种。该系统结合了基于镓的液态金属颗粒与乙烯基单体，这有助于驱动反应物产生和水凝胶的聚合。近红外光启动此过程，液态金属则通过反复的表面氧化和氧化层去除来持续生成反应物。去除该层后，金属再次暴露，允许反应继续进行。这提供了水凝胶结构随时间演化所需的化学活性。研究团队在其论文中表示：“这种新颖的方法使水凝胶的可编程、拟人化形态演化成为可能，涵盖微观到宏观的尺度、几分钟到几周的时间，并可进行单次到多次的转换循环。”
潜在的临床应用与挑战
研究人员还创造了一种逐渐变色的水凝胶，显示其作为长期视觉指示器的潜力。该团队利用水凝胶指导干细胞分化为骨细胞和神经样细胞。“此外，我们还用这种材料修改了大脑机械接口电极的表面，以监测大鼠胚胎发育过程中电信号的演化。”杜表示。根据研究人员的说法，材料的变化速度和幅度可调整，以匹配发育中胚胎大脑的变化。由于液态金属可能损害组织，生物安全问题仍然是关注点。杜指出，团队使用三明治结构来封装材料，以防止其泄漏到周围组织中。
临床应用仍面临多项挑战，包括将转换与特定组织匹配、实现缓慢的形状变化，以及通过外部刺激控制过程。目前，杜表示该系统适合用于传感及组织工程和大脑机械接口的实验室演示。该研究已发表于《Matter》期刊。
水凝胶技术对生物医学的影响
这项研究展示了水凝胶在模拟生物过程中的潜力，尤其是在伤口修复和胚胎发育方面。通过模仿自然界的变形过程，研究人员开发出可调整变化速度的材料，这对于组织工程和大脑机械接口的应用有重要意义。然而，液态金属的生物安全性问题仍需解决，这可能影响其临床应用的可行性。这项技术的进步将有助于未来更智能的医疗材料的发展。