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啟明星之聲

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01

微觀結(jié)構(gòu)的重要意義

為什么我們的眼角膜晶瑩剔透，而緊鄰的鞏膜卻呈不透明的白色？這是因為，雖然它們的主要成分都是膠原蛋白，但其內(nèi)部微觀纖維排列方式截然不同，所以角膜高度透明而鞏膜則呈現(xiàn)白色。類似地，平行排列的纖維賦予肌腱和肌肉強大的力學性能，而交錯排列的纖維讓皮膚柔軟并富有彈性。

由此可見，生物組織的性能很大程度上來源于其微觀結(jié)構(gòu)的精巧設計（圖1）。微米乃至納米尺度上的微觀結(jié)構(gòu)排列，往往決定了材料的宏觀性能和功能。

圖1 膠原蛋白在不同組織器官中的微觀結(jié)構(gòu)

對于生物材料而言，微觀結(jié)構(gòu)不僅影響材料本身的物理性質(zhì)，還會通過提供特殊的表面形貌來調(diào)控細胞的行為?？茖W家發(fā)現(xiàn)，細胞對和自身尺寸相近的微觀結(jié)構(gòu)極為敏感，會因為支架材料表面的細微花紋而“改邪歸正”或“奮發(fā)圖強”。

比如，相較于筆直的纖維，微微彎曲的纖維可以使細胞在附著時拉出“細胞橋”，從而改變細胞內(nèi)部受力狀態(tài)，促進干細胞分化為成骨細胞。

再比如，在材料表面刻出寬度僅800納米的平行溝槽，就能顯著提高細胞的遷移速度，加速小鼠骨缺損的愈合；而略寬一些的微米級溝槽則通過空間約束作用，能顯著提高神經(jīng)軸突的生長速度和定向性。

由此可見，材料的微觀形貌和結(jié)構(gòu)能在不經(jīng)意間影響細胞命運，而這正是生物材料設計中不可忽視的一環(huán)。

那么，我們能否像搭樂高積木一樣，自主搭建出具有特定微觀結(jié)構(gòu)的生物材料，從而賦予其所需的性能和功能呢？現(xiàn)實中這絕非易事。傳統(tǒng)的兩大類制造策略——“自上而下”和“自下而上”——各有局限，很難精確還原大自然在微觀尺度上的巧奪天工。但也正因如此，新興組裝制造技術(shù)正在不斷涌現(xiàn)。

02

微觀結(jié)構(gòu)制造的挑戰(zhàn)

自上而下的方法包括模板鑄造、蝕刻、微流控以及3D打印等，它們擅長從宏觀形狀入手進行加工。以3D打印為例，盡管如今能打印各種生物材料，但受制于打印噴嘴和墨滴尺寸，分辨率通常在幾十微米到數(shù)百微米之間。要在亞微米乃至納米尺度上雕琢內(nèi)部結(jié)構(gòu)，自上而下的方法往往有心無力。

目前這類技術(shù)在微納米顆粒等有限場景有一定成功案例，如微流控制造的納米顆粒，但總體而言，要在宏觀結(jié)構(gòu)內(nèi)控制形成更精細的微觀結(jié)構(gòu)依然存在挑戰(zhàn)。

自下而上的方法則從分子或納米級單元出發(fā)構(gòu)筑材料，比如分子自組裝和化學合成。某些高分子能夠在特定條件下自發(fā)組裝形成球形、蠕蟲狀或囊泡狀的納米結(jié)構(gòu)，兩親分子（親水/親油兩端）也能組裝出膠束、納米帶、網(wǎng)絡水凝膠等尺寸為幾十到幾百納米的結(jié)構(gòu)。在體外，I型膠原蛋白溶液升溫后甚至會自行組裝成纖維網(wǎng)絡，增強細胞的增殖和信號傳導。

然而，這些自下而上的成果大多停留在納米尺度，并且通常是隨機取向、無特定次級結(jié)構(gòu)的“團簇”，很難進一步擴展到更高層級的有序結(jié)構(gòu)。例如，膠原在體外自發(fā)形成的纖維只是雜亂無章地交織成網(wǎng)，遠不如肌腱、角膜等組織那樣高度定向排列，因此難以賦予材料相應的力學和光學性能。

總的來說，無論自上而下還是自下而上，當前技術(shù)在微觀尺度的結(jié)構(gòu)控制方面都捉襟見肘。

面對這一難題，科學家開始從大自然取經(jīng)，嘗試“動態(tài)自組裝”的策略，即在自組裝過程中加入“外力”，有目的地引導材料從微觀到宏觀，逐步形成有序結(jié)構(gòu)。

事實上，生命體本身就擅長借助外力來塑形。例如，有的細菌群體通過高速游動攪動周圍液體，當達到足夠濃度時便能自發(fā)形成規(guī)則的二維晶體結(jié)構(gòu)。再如，當細胞生存在擁擠的細胞外基質(zhì)環(huán)境中，這里的膠原分子因為受到空間約束，反而更容易整齊地排列成有序纖維。其中，電場是生命體中重要的“隱形之手”——在組織發(fā)育和愈合中，生物電信號調(diào)控著相關(guān)細胞行為，體內(nèi)的電場影響著帶電生物大分子的分布，營造出有利于細胞生長的微環(huán)境。

既然如此，研究者不禁想到：能否在體外利用電場這只巧手來指導生物大分子的組裝，打造出仿生的微觀結(jié)構(gòu)？

03

電場調(diào)控的動態(tài)自組裝技術(shù)

電場驅(qū)動的自組裝，通俗地講就是利用電場在分子層面進行排兵布陣。其核心方法是通過電極施加特定的電信號，使得溶液中帶正電荷的天然大分子（如殼聚糖、膠原蛋白等）被吸引到帶負極性的陰極上富集，并利用電極表面產(chǎn)生的局部化學變化誘導它們發(fā)生定向組裝（圖2）。

具體來說，當電極通電時，陰極表面發(fā)生水解析出OH-離子，造成局部pH升高，在一定范圍里形成pH梯度。帶正電的生物大分子在電場力作用下朝陰極電泳遷移，當它們來到陰極表面時，周圍的堿性環(huán)境使其電荷中和、溶解度降低，從而在電極上沉積、組裝為水凝膠狀的固體結(jié)構(gòu)。通過精巧設計電流強度、信號模式等參數(shù)，該技術(shù)可以像指揮交通一樣控制分子何時何地“扎堆”，由此打造出所需的微觀結(jié)構(gòu)。

圖2 電場調(diào)控的動態(tài)自組裝原理

電場調(diào)控自組裝在膠原蛋白材料上展現(xiàn)出令人驚喜的效果。

研究人員將酸性溶液中的膠原分子置于恒定電流場中，僅用15分鐘便在陰極表面沉積出一層厚約0.5毫米的膠原水凝膠膜。這層通過電場“速成”的膠原膜在干燥后依然透明澄澈，如同隱形眼鏡一般。相比之下，傳統(tǒng)方法自發(fā)形成的同等厚度膠原水凝膠由于纖維散射光線，干燥后呈乳白色不透明。

經(jīng)顯微分析發(fā)現(xiàn)，電場組裝所得的膠原膜內(nèi)部由直徑僅10納米左右的極細膠原原纖維緊密排列構(gòu)成，而常規(guī)方法得到的膠原則形成了直徑數(shù)微米的粗大纖維且雜亂分布。纖維越細越緊密，材料就越透明——這正是電場賦予膠原膜高透光性的秘訣。

由于這些納米級原纖僅通過氫鍵等弱相互作用粘連，整個膠原網(wǎng)絡呈現(xiàn)一種“熔融微纖維態(tài)”：質(zhì)地柔軟、高度可塑，受到外力作用時，會像橡皮泥一樣在內(nèi)部發(fā)生重排而不會立刻斷裂。將這種膠原膜定向牽拉后，原本無序的納米纖維形成了方向一致的平行排列，初步具備了肌腱纖維束的雛形。

04

場驅(qū)動組裝與其他技術(shù)的對比

電場調(diào)控的動態(tài)自組裝之所以備受矚目，正是因為它在微觀結(jié)構(gòu)精細控制上彌補了傳統(tǒng)技術(shù)的短板。那么它與其他方法相比有何異同？

一方面，與傳統(tǒng)自上而下工藝相比，電場組裝無需昂貴的模具或高精度儀器，在納微米尺度下游刃有余。

例如，要制造高透明的人造角膜，若用3D打印等方法很難打印出納米纖維的有序網(wǎng)絡，而電場組裝卻輕松實現(xiàn)了納米原纖的緊密排列。再比如，多孔/致密一體化的雙面膜用常規(guī)方法可能需要多步涂層或模板鑄造，而電場下通過調(diào)整沉積參數(shù)即可一步到位?？梢哉f，在微結(jié)構(gòu)的分辨率和可塑性上，電場組裝具有獨特優(yōu)勢。

另一方面，相較于靜態(tài)的自下而上組裝，電場等外場驅(qū)動的方式引入了持續(xù)的能量供給，能夠打破熱力學平衡桎梏，引導更大尺度單元的有序排列。

傳統(tǒng)自組裝往往局限于納米尺度，而且容易陷入無序的熱力學平衡態(tài)，而電場等動態(tài)組裝則可將體系推向非平衡，使結(jié)構(gòu)在更大尺度上保持有序。例如，膠原溶液中自行形成的纖維網(wǎng)絡雜亂無章，但在電場作用下則能快速生成均勻取向的納米纖維膜，再輔以機械拉伸和離子熟化等手段，更是將有序結(jié)構(gòu)從納米拓展到了百微米級別。這在純粹靠分子自身隨機組裝的情況下是難以想象的成果。

當然，電場并非唯一可用的“場”?？茖W家已嘗試引入各種“場”調(diào)控來實現(xiàn)仿生組裝。

例如，有研究者利用蒸發(fā)誘導自組裝結(jié)合剪切力，構(gòu)筑出了類似天然珍珠層的分層結(jié)構(gòu)材料：材料內(nèi)部柔韌如生物筋膜，表面卻硬如瓷釉，中間由梯度過渡層連接，從而把截然不同的機械性能融合在一體。

還有研究者采用磁場輔助組裝，讓涂有磁性納米顆粒的微米級氧化鋁薄片在液體中懸浮，通過磁場控制這些“小板磚”的取向，結(jié)果整個材料厚度方向上顆粒均呈各向異性排列，得到的復合材料在不同方向上展現(xiàn)出不同強度和韌性。

相比之下，磁場組裝需要材料具備磁性或引入磁性添加物，而電場對帶電的分子和粒子幾乎來者不拒，因此應用范圍更廣。此外還有利用光、聲、溫度梯度等場調(diào)控的方法，各展所長。

總的來看，這些新興技術(shù)仍處于實驗室階段，在工藝成熟度和可規(guī)模化方面相比電場技術(shù)略有不足。

不過，現(xiàn)在各種微觀結(jié)構(gòu)制造技術(shù)雖欣欣向榮，卻都有各自尚待攻克的難關(guān)。

對于電場調(diào)控組裝而言，目前最大的挑戰(zhàn)之一在于深入理解并優(yōu)化材料微結(jié)構(gòu)對生物學效應的影響。換言之，可以利用電場搭建各種精巧結(jié)構(gòu)，但這些結(jié)構(gòu)如何與體內(nèi)細胞和組織相互作用？怎樣的微觀設計才是促進再生、避免副作用的最佳方案？這些問題還有待進一步研究。

另一方面，從實驗室走向臨床仍有漫長的道路要走。目前許多炫目的微結(jié)構(gòu)技術(shù)停留在論文和原型階段，能真正轉(zhuǎn)化為醫(yī)療產(chǎn)品的鳳毛麟角。唯有加強學科交叉、推進工藝標準化，才能讓這些新技術(shù)從“概念驗證”走向“大規(guī)模應用”，最終造福大眾健康。

05

未來展望

仿生材料的微觀結(jié)構(gòu)控制正進入一個令人激動的新時代。電場調(diào)控的動態(tài)自組裝技術(shù)展示了在分子層級編織生命之美的可能：或許可以為不同組織量身定制“智能”的支架材料，既具備所需的力學強度，又能向細胞發(fā)出恰到好處的生長信號。

未來，隨著人們對材料-細胞相互作用機制的深入研究，科學家將有能力設計出更精巧的微結(jié)構(gòu)來精確調(diào)控細胞行為。在工程化方面，電場等場調(diào)控技術(shù)有望與先進的數(shù)字制造、自動化流水線結(jié)合，實現(xiàn)醫(yī)療植入物的批量化定制生產(chǎn)。

-本文刊載于《世界科學》雜志2025年第7期“今日啟明星”欄目，作者屈雪是華東理工大學材料科學與工程學院教授，焦蕓珂是華東理工大學材料科學與工程學院博士研究生-

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