北京
研究人员用发育中的大鼠胚胎测试了这种自适应材料。
在中国研究人员开发的一种新型形状变化水凝胶中，单次近红外光照射即可触发化学反应，并持续长达四周。该团队创造这种材料，是为了模拟缓慢的生物转化过程，包括伤口修复和胚胎发育。
他们的系统名为STERS，利用镓基液态金属颗粒来维持反应，使凝胶逐渐重塑，为自适应组织支架、脑机接口和软体机器人提供了一个可能的平台。
该研究包含涉及干细胞以及用于监测大鼠胚胎发育过程中电信号的电极的实验室演示。
从缓慢的生物变化中汲取灵感
研究作者、中国科学院深圳先进技术研究院教授杜学敏在其智能材料研究中，从含羞草和变色龙等生物中汲取了灵感。
他说，形状变化材料发展迅速，如今有些转化可在毫秒内发生。然而，较慢的生物过程带来了不同的挑战。
“我意识到，生物体在经历快速形状变化的同时，也会经历缓慢的长期演化转化，”他说，并指出伤口修复和胚胎发育就是例子。
组织工程支架通常携带活性物质以支持愈合。杜指出，现有材料要么变化太快，要么无法变形。
“所以我想，我们能否模仿自然界中这些较慢的形态转化过程，来构建缓慢的形状变化材料，”他说。
液态金属维持反应
STERS代表“时空演化反应性物种”。该系统将镓基液态金属颗粒与乙烯基单体结合，后者有助于驱动反应性物种的产生和水凝胶聚合。
近红外光激活这一过程。随后，液态金属通过表面氧化和氧化层去除的反复循环来维持反应性物种的生成。
去除该层会再次暴露金属，使反应得以继续。这提供了水凝胶结构随时间演化所需的化学活性。
“这种新方法使水凝胶能够实现可编程、类生命的形态演化，涵盖从微观到宏观尺度、从数分钟到数周，以及从单次到多次转化循环，”该团队在论文中表示。
研究人员还创造了一种可在一个月内逐渐变色的水凝胶，展示了其作为长期视觉指示剂的潜力。
组织测试与仍存在的障碍
该团队使用这些水凝胶引导干细胞分化为骨细胞和类神经细胞。
“此外，我们用这种材料修饰了脑机接口电极的表面，以监测大鼠胚胎发育过程中电信号如何演化，”杜说。
据研究人员称，这种材料的转化速率和幅度可以调整，以匹配发育中的胚胎大脑的变化。
生物安全性仍然是一个担忧，因为液态金属可能损伤组织。杜说，该团队使用三明治结构封装该材料，防止其泄漏到周围组织中。
临床应用仍面临若干障碍，包括使转化与特定组织相匹配、实现更缓慢的形状变化，以及通过外部刺激按需控制这一过程。
杜说，目前该系统适用于组织工程和脑机接口中的传感及实验室演示。
该研究发表在《Matter》期刊上。
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