研究人員在中國開發出可持續變形的水凝膠，模擬生物轉變過程

中國研究人員開發的一種新型變形水凝膠能夠在單次接觸近紅外線光後，引發持續長達四週的化學反應。該團隊創建此材料以模仿緩慢的生物變化過程，包括傷口修復和胚胎發育。其系統名為 STERS，使用基於鎵的液態金屬顆粒來支持反應，逐漸改變凝膠的形狀，為適應性組織支架、大腦機械接口及柔性機器人提供潛在平台。該研究包括對幹細胞和用於監測大鼠胚胎發育過程中電信號的電極進行的實驗室演示。

研究作者、中國科學院深圳先進技術研究院教授杜學民表示，他的智能材料研究受到敏感植物和變色龍等生物的啟發。他指出，變形材料的進展十分迅速，某些變化現在可在毫秒內發生。然而，較慢的生物過程則帶來不同的挑戰。他表示：「我意識到，雖然生物體會迅速變形，但也會經歷緩慢的長期演變轉變」，他提到傷口修復和胚胎發育等過程。組織工程支架通常攜帶活性物質以支持癒合。杜指出，現有材料要麼變化過快，要麼無法變形。

模仿自然界的變形過程

他表示：「因此我想知道是否可以模仿自然界中這些較慢的形態變化過程，以構建緩慢變形的材料。」

STERS 的全名為時空演變反應物種。該系統結合了基於鎵的液態金屬顆粒與乙烯基單體，這有助於驅動反應物產生和水凝膠的聚合。近紅外線光啟動此過程，液態金屬則通過反覆的表面氧化和氧化層去除來持續生成反應物。去除該層後，金屬再次暴露，允許反應繼續進行。這提供了水凝膠結構隨時間演變所需的化學活性。研究團隊在其論文中表示：「這種新穎的方法使水凝膠的可編程、擬人化形態演變成為可能，涵蓋微觀到宏觀的尺度、幾分鐘到幾週的時間，並可進行單次到多次的變換循環。」

潛在的臨床應用與挑戰

研究人員還創造了一種逐漸變色的水凝膠，顯示其作為長期視覺指示器的潛力。該團隊利用水凝膠指導幹細胞分化為骨細胞和神經樣細胞。「此外，我們還用這種材料修改了大腦機械接口電極的表面，以監測大鼠胚胎發育過程中電信號的演變。」杜表示。根據研究人員的說法，材料的變化速度和幅度可調整，以匹配發育中胚胎大腦的變化。由於液態金屬可能損害組織，生物安全問題仍然是關注點。杜指出，團隊使用三明治結構來封裝材料，以防止其洩漏到周圍組織中。

臨牀應用仍面臨多項挑戰，包括將變換與特定組織匹配、實現緩慢的形狀變化，以及通過外部刺激控制過程。目前，杜表示該系統適合用於感測及組織工程和大腦機械接口的實驗室演示。該研究已發表於《Matter》期刊。

水凝膠技術對生物醫學的影響

這項研究展示了水凝膠在模擬生物過程中的潛力，尤其是在傷口修復和胚胎發育方面。透過模仿自然界的變形過程，研究人員開發出可調整變化速度的材料，這對於組織工程和大腦機械接口的應用有重要意義。然而，液態金屬的生物安全性問題仍需解決，這可能影響其臨床應用的可行性。這項技術的進步將有助於未來更智能的醫療材料的發展。