在自然界中，對力學刺激的感知是活細胞的基本特性，它使得細胞能夠檢測、解讀、響應并適應外部復雜環(huán)境。此外，力學感知在工程領(lǐng)域中也發(fā)揮著重要作用，如可穿戴設(shè)備和軟體機器人等。盡管科研人員已經(jīng)開發(fā)出多種材料和結(jié)構(gòu)來感知力學刺激，但人造系統(tǒng)在靈敏度、能源利用效率和自主水平等方面仍然遠遠落后于生物系統(tǒng)。與此同時，近年來，生物融合（biohybrid approach）已經(jīng)成為一個新興的將生物功能嵌入到人工材料的熱點領(lǐng)域。但迄今為止，卻鮮有研究報道具有力學感知功能的活性材料體系。此外，如何用簡易的方法制造活性材料、延長其壽命、縮短其響應時間、降低其維護成本，仍然是制約活性材料實際應用的關(guān)鍵因素。
針對該問題，在前期生物融合發(fā)光器件的基礎(chǔ)上（Nat.Commun.13 (1), 3914），加州大學圣地亞哥分校蔡盛強教授團隊，通過將力致發(fā)光海洋甲藻嵌入到生物相容性的水凝膠中，發(fā)展了一種超靈敏且強韌的力致發(fā)光活性軟材料體系。該活性材料具有高靈敏度(Pa~kPa)，可快速響應（~20ms），并且維護簡單，只需要光照和黑暗條件進行生理循環(huán)。在疏水涂層的保護下，該活性材料在惡劣條件下（海水及酸、堿溶液）仍具有5個月的使用壽命。該材料還適用于具有高分辨率（~0.39mm）的直寫式3D打印，并可以通過雙網(wǎng)絡水凝膠實現(xiàn)力學性能增強。此外，研究者提出了一個數(shù)學模型來分析力致發(fā)光行為，并與實驗相比取得了較好的一致性。該活性材料有望用于力學傳感、軟體機器人和生物光療等領(lǐng)域，同時也可作為一個材料平臺來研究基礎(chǔ)的生物力學感知。
一、生物活性力致發(fā)光軟材料的設(shè)計和展示
首先，作者將海藻酸鈉水凝膠溶液與發(fā)光細胞培養(yǎng)液混合，然后利用CaCl2溶液進行離子交聯(lián)，將細胞限制在凝膠中（圖1A）。在黑暗條件下，壓縮該活性材料可觸發(fā)其近乎瞬時的發(fā)光（圖1B）。而用物體在該材料表面滑動，可觸發(fā)其局部發(fā)光（圖1C）。為了展示該材料的高靈敏度，作者讓一個輕質(zhì)泡沫球在其表面滾動，來自球的微小壓力（~10mN）仍可激活其發(fā)光（圖1D）。為了增強該活性材料在不可預測條件下的耐用性，作者在其表面制備了疏水涂層，實現(xiàn)了在海水環(huán)境中5個月的使用壽命（圖1E）。作者進一步在涂層中加入顏料，可實現(xiàn)對發(fā)光顏色光譜的調(diào)節(jié)（圖1F）。
圖1.力致發(fā)光活性軟材料的設(shè)計和概念性展示
二、用于增強活性軟材料使用壽命的疏水彈性體涂層
圖2.疏水涂層用于增強活性軟材料的穩(wěn)定性、使用壽命和力學性能
三、3D打印具有高分辨率和復雜形狀的活性軟材料
圖3.利用3D打印將活性軟材料打印成具有高分辨率的不同幾何圖案
四、利用生物相容性雙網(wǎng)絡水凝膠增強活性軟材料的力學性能
圖4.利用雙網(wǎng)絡水凝膠對力致發(fā)光活性軟材料進行力學增強
五、一個用于分析力致發(fā)光行為的定量化數(shù)學模型
接下來，作者基于前期對單個發(fā)光細胞的定量化研究（Phys.Rev.Lett.125 (2), 028102；Biophys.J.108, 1341-1351），提出了一個數(shù)學模型來預測力致發(fā)光行為，并且與實驗結(jié)果取得了較好的一致性。根據(jù)對細胞內(nèi)力學傳感途徑的分析，作者提出了由一組常微分方程構(gòu)建的物理模型（圖5B）。在實驗中，作者對長條形樣品施以加載、保持和卸載三個連續(xù)的測試步（圖5A；圖5C，中）。在第一組測試中，作者改變了最大位移δmax,并控制位移速率
不變（圖5C）。在第二組測試中，作者改變了位移速率
，并控制最大位移δmax不變（圖 5D）。同時，作者通過視頻處理，得到了發(fā)光強度隨時間的變化曲線。
影響。在位移保持階段，發(fā)光強度在2到5秒逐漸衰減。而在卸載階段，光強又會突然上升。由于甲藻細胞的發(fā)光不僅取決于變形，還取決于變形速率，因此在測試中，位移速率的變化很可能觸發(fā)了細胞內(nèi)生物發(fā)光信號的串級反應。結(jié)果表明，發(fā)光強度Ιmax取決于（圖5D；圖5E，左），而峰值對應的時間尺度τFWHM取決于δmax和（圖5E，中）。為了校準該模型，作者還需進行數(shù)據(jù)擬合，得到聯(lián)系各個變量之間的模型常數(shù)（圖5E）。利用這些關(guān)系，在確定了模型參數(shù)和初始值后，作者使用歸一化的應力變化率
作為模型輸入信號，成功擬合了發(fā)光強度，并且與實驗相比取得了良好的一致性（圖 5C和D）。這一定量化的數(shù)學模型可以為該活性材料的力學傳感應用打下基礎(chǔ)。
圖5.一個用于分析力致發(fā)光行為的定量化數(shù)學模型
總而言之，借助生物融合方法，作者開發(fā)了一種高靈敏且堅韌的力致發(fā)光活性軟材料，具有快速響應、長壽命、可打印、力學強韌等特點。此外，作者提出了一個數(shù)學模型來定量分析力致發(fā)光，與實驗相比取得了較好的一致性。該材料有望用于軟體機器人、柔性傳感和生物光療等領(lǐng)域。
原文及參考文獻
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