Nature&Science等頂級期刊: 仿生材料系統進展梳理

仿生材料指模仿生物的各種特點或特性而開發的材料。仿生材料將材料科學、生命科學、仿生學相結合, 對于推動材料科學的發展具有重大意義。仿生設計不僅要模擬生物對象的結構, 更要模擬其功能，才能達到這類材料的設計初衷。這篇文章總結了在過去的一年中仿生材料的重要研究進展，以供大家參考。

1. Science: A bioinspired flexible organic artificial afferent nerve^[1]

體感系統中的受體，神經元和突觸的分布式網絡有效地處理了復雜的觸覺信息。斯坦福大學的Zhenan Bao教授等人使用了靈活的有機電子器件來模仿感覺神經的功能。并且對于人工傳入神經從壓力傳感器集群中收集壓力（1-80Kpa）信息進行了深入探究，通過使用環形振蕩器（0-100Hz）將壓力信息轉換為動作電位，并將多個環形振蕩器的動作電位與突觸晶體管整合在一起。仿生分層結構可以檢測對象的移動，組合同時的壓力輸入并區分盲文字符。此外，將人工傳入神經與運動神經相連，以構建混合生物電子反射弧來激活肌肉，這種系統在神經機器人和神經修復中有潛在的應用。

2. Science: Bioinspired?improvement?of?laminated?glass^[2]

玻璃具有獨特的光學，熱，機械，化學和電學性質，可用于許多應用領域中。但是，玻璃固有的脆性可能破壞會用玻璃組成的結構從而限制其在承重應用中的使用（例如大型公共結構）。當綜合的機械和環境負荷使玻璃處于張力下并引發突然的災難性故障時，先前存在的表面缺陷會擴散。在結構應用中，夾層玻璃（即兩個或兩個以上的玻璃板與薄的聚合物中間層粘合在一起）用于在意外破裂的情況下保留碎片。因為碎片會相互鎖住，破裂的夾層玻璃不僅可以維護用戶安全，還可以部分保留故障單元的剛度和結構完整性。諾丁漢大學的Kyriaki Corinna Datsiou等人提出了一種生物啟發的玻璃-聚合物復合材料，該復合材料具有比層壓玻璃更高的損傷耐受性，再次證明自然可以成為材料技術改進的靈感源泉。

3.?PNAS: Biohybrid valveless pump-bot powered by engineered skeletal muscle^[3]

泵是所有動物至關重要的生命維持組件。在生命的最早階段，管狀胚胎心臟就像無閥泵一樣，能夠產生單向血流。受此啟發，哈弗大學Zhengwei Li等人首次開發了一個由工程骨骼肌提供動力的無生物混合閥的無泵機器人。泵浦機器人由一個柔軟的水凝膠管組成，該軟管的兩端連接到一個較硬的聚二甲基硅氧烷（PDMS）支架上，從而產生了阻抗失配。自發性或電刺激的循環肌肉收縮進一步擠壓管，導致彈性波沿著軟管傳播并在軟/硬管邊界處反射回去。本泵機器人可實現高達22.5μL/ min的流速，比類似尺寸的心肌細胞瓣膜泵的流速至少高三個數量級。由于其簡單的幾何形狀，堅固性，易于制造和高泵送性能，這種泵浦機器人特別適合微流控，藥物輸送，生物醫學設備，心血管泵送系統等方面的廣泛生物醫學應用。

4. Nature:Controlling?organization?and?forces?in?active?matter?through?optically?defined?boundaries^[4]

生命系統能夠移動，重新配置和復制。為了執行這些任務，細胞會協調產生“活性”分子的相互作用，這些分子可以形成跨度達毫米級的力場并操縱不平衡結構。由于，這些實驗系統缺乏在細胞中發現的時空控制，限制了它們在研究非平衡現象和生物啟發工程方面的實用性。在這里，加州理工大學的Tyler D. Ross等人通過光學控制結構和結構來發現非平衡現象和原理。工程系統由純化的微管和可交聯并組織微管的可光激活的運動蛋白組成照成不同的結構我們開發定義為燈光模式集的基本操作，以創建，移動和合并微管結構。通過構成這些基本操作，能夠創建跨過數百微米的微管網絡，并以比單個電動機的速度快一個數量級的速度收縮。操縱這些可收縮的網絡來生成和雕刻持久的流體流，揭示的邊界介導控制原理可用于研究新興的細胞結構和作用力以及開發可編程的活性物質裝置。

5. Nature: Electrolytic?vascular?systems?for?energy-dense?robots^[5]

現代機器人缺少活生物體中的多功能互連系統，因此無法再現其效率和自主性。儲能系統是限制機器人自主性的最關鍵限制，但是可以在多功能，受生物啟發的應用環境中重新檢查其大小，重量，材料和設計約束。這篇文章中，康奈爾大學的Cameron A. Aubin等人介紹了一種嵌入到無繩水生軟機器人中的合成能量密集循環系統。該仿生血管系統以氧化還原液流電池為模型，將液壓傳遞，致動和能量存儲的功能整合到單個集成設計中，從而在幾何上增加了機器人的能量密度，可實現長時間（長達36小時）的操作。其構造中使用的制造技術和柔性材料使血管系統能夠以復雜的形狀因數創建，這些形狀因機器人的運動而不斷變形。液壓流體中電化學能量存儲的這種使用可以促進未來機器人設計中能量密度，自主性，效率和多功能性的提高。

6. Nat.Mater.: Bioinspired?neuron-like?electronics^[6]

作為功能性生物材料的重要應用，神經探針為研究大腦做出了重要貢獻。盡管前幾代探針與其神經元靶標在結構和機械方面存在差異，導致神經元丟失，神經炎性反應和測量不穩定，但生物啟發和仿生策略已開始應用于神經探針的開發。哈佛大學的Xiao Yang等人介紹了一種針對神經探針的生物啟發性設計-類神經元電子（NeuE）-其中的關鍵構件模擬了神經元的亞細胞結構特征和機械特性。植入的NeuE-腦接口的完整三維映射突出了NeuE和神經元的結構不可區分性和緊密的互穿性。時間依賴性的組織學和電生理學研究進一步揭示了植入后不久與神經元和神經膠質網絡的結構和功能穩定的接口，從而為下一代腦機接口提供了機會。NeuE亞細胞結構特征顯示出促進內源性神經祖細胞的遷移，從而有望成為無移植再生醫學的電活性平臺。

7. Nat.Mater.: Injectable?tissue?integrating?networks?from?recombinant polypeptides with tunable? order^[7]

天然生物材料的新興特性來自有序域和無序域之間納米級相互作用的共同作用。在這里，使用重組序列設計，我們創建了一組部分有序的多肽，以通過精確編碼納米級有序-無序相互作用來研究新興的層次結構。這些材料結合了無序的彈性蛋白樣多肽的刺激響應能力和聚丙氨酸螺旋的結構穩定性，對熱響應具有可調的熱滯，并具有在閾值溫度以上可逆地形成多孔，粘彈性網絡的能力。通過粗粒度模擬，我們表明，由于有序域和無序域的介觀相分離，物理交聯引起了磁滯現象。注射設計為在體溫下轉變的部分有序多肽后，它們會形成穩定的多孔支架，該支架可迅速整合到周圍組織中，而炎癥反應極少，血管形成程度很高。結構順序和無序的序列水平調節是功能性基于蛋白質的生物材料設計的未開發原理。

8. Chem.Rev.: Organic Bioelectronics: Bridging the Signaling Gap between Biology and Technology^[8]

我們日常生活中的電子設備幾乎完全依賴電子作為主要的電荷載體。與之形成鮮明對比的是，生物系統很以電子作為電荷載體，而是使用離子和大小不同的分子。近幾十年來，由于導電和半導電聚合物和有機小分子能夠進行獨特的電子和離子/分子結合導電，這些材料已成為在這兩個領域之間轉換信號的出色工具。因此林雪平大學的Daniel T. Simon等人提供了一種有效接口的手段生物學與常規電子學，從而成為有機生物電子學領域。如今，有機生物電子學首次發現和定義了具有生物記錄和調節工具的通用平臺，并且正朝著從生命科學到臨床的應用不斷發展。在本綜述介紹了該領域從其早期的突破到當前的成果和未來的挑戰等方面的內容。

9. Sci.Adv.: Bioinspired mechanically active adhesive dressings to accelerate wound closure^[9]

受胚胎傷口閉合的啟發，哈弗大學的S. O. Blacklow等人提出使用機械活性敷料來加速傷口愈合。常規敷料通過在傷口部位保持水分來被動地幫助愈合，而最新的進展集中在驅動愈合過程的藥物傳遞和細胞上，但是這些方法通常由于藥物副作用，復雜的制造方法和高成本而變得復雜。在這里，研究者們介紹了由熱響應性強粘性水凝膠組成的新型活性粘合劑敷料，這些凝膠結合了高拉伸性，韌性，組織粘附力和抗菌功能。根據暴露于皮膚溫度，它們牢固地粘附在皮膚上并主動收縮傷口。體外和體內研究證明了它們在加速和支持皮膚傷口愈合方面的功效。有限元模型驗證和完善了由這些活性粘合劑敷料實現的傷口收縮過程。這種機械生物學方法為傷口處理開辟了新途徑，并可能在從再生醫學到軟機器人的各種應用中找到廣泛的用途。

10. Sci.Adv.: Bioinspired mechanical device generates plasma in water via cavitation^[10]

大自然可以比人類設計的電，聲或光設備在液體中產生等離子體的效率更高。在動物界，卡塔蝦會誘使空化塌陷，從而產生高壓和高溫，從而導致通過光子的有效等離子體形成以及通過能量聚焦產生沖擊波。在這項工作中，德州農工大學的Xin Tang 和David Staack報告了一種仿生機械裝置，模仿了卡塔蝦的血漿生成技術。該設備是基于快速拍打的蝦爪蛻的X射線計算機斷層攝影術采用仿生材制造技術制造的。研究者們設計了一種彈簧裝置，以適當的力和速度致動機械爪，以產生與蝦的空化數和雷諾數相匹配的高速水射流。對光發射和沖擊進行了成像，這表明我們的設備復制了蝦的血漿生成技術，并且比其他血漿生成方法更有效。

參考文獻

[1] Yeongin Kim, Alex Chortos, Wentao Xu. A bioinspired flexible organicartificial afferent nerve. Science,?2018, 360, 998–1003.

[2] Kyriaki Corinna Datsiou. Bioinspired improvement of laminated glass. Science. 364, 1232-1233.

[3] Zhengwei Li,?Yongbeom Seo,?Onur Aydin. Biohybrid valveless pump-bot powered by engineered skeletal muscle. PNAS, 2019,116, 1543-1548.

[4] Tyler D. Ross, Heun Jin Lee, Zijie Qu.Controlling Organization and Forces in Active MatterThrough Optically-Defined Boundaries. Nature,?2018, 504456.

[5] Cameron A. Aubin, Snehashis Choudhury, Rhiannon Jerch. Electrolytic vascular systems for energy-dense robots. Nature, 2019,571,?51–57.

[6] Xiao Yang,?Tao Zhou,?Theodore J. Zwang. Bioinspired neuron-like electronics. Nat.Mater.?2019, 18,?510–517.

[7] Stefan Roberts,?Tyler S. Harmon,?Jeffrey L. Schaal. Injectable tissue integrating networks from recombinant polypeptides with tunable order. Nat.Mater.?2018, 17,?1154–1163.

[8] Daniel T. Simon,Erik O. Gabrielsson,?Klas Tybrandt. Organic Bioelectronics: Bridging the Signaling Gap between Biology?and Technology. Rev. 2016, 116, 13009?13041.

[9] O. Blacklow, J. Li, B. R. Freedman. Bioinspired mechanically active adhesive dressings toaccelerate wound closure.?Sci. Adv. 2019, 5, 3963.

[10] Xin Tang and David Staack. Bioinspired mechanical device generates plasma in water via cavitation. Sci. Adv. 2019, 5, 7765.

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