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  生命是大自然的饋贈(zèng)和數(shù)億年進(jìn)化的結(jié)果，生物組織擁有近乎完美的特性以至可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的生理功能。幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，人類從未停止過(guò)對(duì)生命的探索與模仿，特別是在構(gòu)筑仿生組織方面付出了巨大努力。時(shí)至今日，科研人員在利用活的胚胎干細(xì)胞培養(yǎng)生物組織方面取得了可喜進(jìn)展；同時(shí)，一些劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)也相繼被報(bào)道，如利用無(wú)機(jī)物和有機(jī)物自下而上合成人工細(xì)胞、從液態(tài)金屬出發(fā)實(shí)現(xiàn)類生命行為、研發(fā)可編程自我復(fù)制的活細(xì)胞機(jī)器人等。這些工作在促進(jìn)人們認(rèn)知物質(zhì)與生命間奇妙關(guān)系的同時(shí)，也為開(kāi)發(fā)人工生物組織提供了重大啟示。然而，由于生命體系自身?yè)碛械囊粋�(gè)最為基礎(chǔ)的內(nèi)在屬性，即生物節(jié)律性，以及未被充分揭示的內(nèi)部液相環(huán)境參與機(jī)制，業(yè)界在研發(fā)類生命組織行為的功能物質(zhì)方面始終面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，可以說(shuō)生物組織一直被模仿，但從未被超越。

圖1. 類生物組織和器官的節(jié)律性水相液態(tài)金屬物質(zhì)示意

  近日，來(lái)自清華大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所的聯(lián)合研究小組首次創(chuàng)制出一種水相液態(tài)金屬物質(zhì)，展示了一系列獨(dú)特的類生物組織與器官節(jié)律行為，文章提出利用兩種液態(tài)物質(zhì)：水和自下而上組裝的液態(tài)金屬，構(gòu)筑節(jié)律性仿生組織和器官的策略(圖1)。通過(guò)引入超聲原位還原和電化學(xué)燒結(jié)協(xié)同機(jī)制，作者們制備出水相液態(tài)金屬物質(zhì)(Hydrous Liquid-Metal Agglomerates, HLMAs)，由此組裝成形的集合體在其類“細(xì)胞”生長(zhǎng)、漂浮、節(jié)律性收縮和舒張過(guò)程中均可保持結(jié)構(gòu)化特征，如同經(jīng)典科學(xué)著作中所描述過(guò)的那種“缸中大腦”的生理學(xué)場(chǎng)景。此類物質(zhì)工作的核心工作機(jī)理在于，利用電場(chǎng)觸發(fā)的可逆氧化還原“點(diǎn)燃”HLMAs的類生物節(jié)律性，在該過(guò)程中，HLMAs不僅發(fā)生了物質(zhì)組成與架構(gòu)、物性節(jié)律性變化，同時(shí)還伴隨著節(jié)律性收縮和舒張，類似生物組織與器官進(jìn)行心臟跳動(dòng)、肺泡呼吸等。研究揭示了HLMAs節(jié)律過(guò)程物質(zhì)變化、能量轉(zhuǎn)換和信息傳遞三者間的協(xié)同機(jī)制，證實(shí)了液態(tài)物質(zhì)因其高時(shí)空維度屬性以及液相特征在構(gòu)筑生物節(jié)律方面獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。此項(xiàng)研究為人工生物組織提供了全新的物質(zhì)基礎(chǔ)，也為利用非生命物質(zhì)構(gòu)筑生物節(jié)律行為提供了典型范例。該工作以“Biotissue like rhythmic hydrous liquid-metal agglomerates”為題發(fā)表在《Matter》上(Matter, 2023, doi: 10.1016/j.matt.2023.06.042)。文章第一作者是清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士后高建業(yè)博士，通訊作者為劉靜教授。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委以及中國(guó)科學(xué)院前沿項(xiàng)目的支持。

圖2. 水相液態(tài)金屬物質(zhì)制備示意、協(xié)同機(jī)制和結(jié)構(gòu)特征

圖3. 水相液態(tài)金屬物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)組成及材料表征

圖4. 水相液態(tài)金屬物質(zhì)與物性的節(jié)律性變化

控制。在施加生物電信號(hào)前，這三種力保持平衡(圖5B i)。然而，一旦施加生物電信號(hào)，液態(tài)金屬的表面張力迅速變化，打破了上述平衡，導(dǎo)致HLMAs內(nèi)部液態(tài)金屬呈周期性擠出和回流。該過(guò)程涉及表面能和重力勢(shì)能之間的節(jié)律性轉(zhuǎn)換。通過(guò)實(shí)時(shí)追蹤HLMAs收縮和舒張過(guò)程，作者成功刻畫(huà)了HLMAs中液態(tài)金屬的位移和速度 (圖5C)。研究發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬的擠出位移可表述為施加電信號(hào)的積分函數(shù)

，而其擠出速度則與施加電信號(hào)呈高度相關(guān)性

圖5. 水相液態(tài)金屬物質(zhì)節(jié)律性收縮與舒張行為

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.06.042