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  自然界如何構(gòu)建出從蜉蝣生物到巨型鯨魚(yú)這樣形態(tài)萬(wàn)千、結(jié)構(gòu)與功能異常復(fù)雜的生命體呢？答案在于極其精妙的自下而上的組裝。大自然從不試圖直接操控一整塊龐大的物質(zhì)，而是選擇通過(guò)創(chuàng)造細(xì)胞這一生命最為基本的結(jié)構(gòu)、功能和生物學(xué)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。只要擁有了標(biāo)準(zhǔn)化的單元，生命系統(tǒng)即可通過(guò)美妙絕倫的復(fù)制和組合機(jī)制，演化出令人驚異的豐富形態(tài)與高級(jí)智慧。無(wú)疑，若能通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段制造出擁有各類功能的人工細(xì)胞，會(huì)迎來(lái)一系列底層突破與應(yīng)用。

  在迄今人類已經(jīng)初步掌握和認(rèn)識(shí)到的各類物質(zhì)體系中，常溫液態(tài)金屬如鎵基合金等正以其豐富獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)打破了無(wú)機(jī)材料與自然活物質(zhì)之間的界限，這些流動(dòng)的金屬能夠展現(xiàn)出外場(chǎng)響應(yīng)、吞噬、變形、自主運(yùn)動(dòng)等類似于生命體的行為。然而，也限于其自身表面張力主導(dǎo)的特性，液態(tài)金屬目前許多特立獨(dú)行的行為，仍主要集中于厘米或毫米級(jí)的孤立液滴。這就好比我們擁有一塊神奇的活體黏土，卻因缺乏精細(xì)分割和有序組織的手段，并不能很容易的構(gòu)造出功能與結(jié)構(gòu)更趨復(fù)雜高級(jí)的類生命體一樣。由此，我們可以提出一個(gè)最為基礎(chǔ)的問(wèn)題：即能否在液態(tài)金屬物質(zhì)體系中構(gòu)造出一個(gè)類似于生命細(xì)胞的獨(dú)立功能單元，并由此進(jìn)一步組裝出各種功能體？

  順應(yīng)這一自然哲理，也源于二十多年來(lái)在液態(tài)金屬物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域的深厚積淀，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所劉靜團(tuán)隊(duì)于2024年提出了完整的液態(tài)金屬活物質(zhì)體系（Biosimilar liquid-metal living matter, Matter, 2024），明確指出：要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的液態(tài)金屬功能系統(tǒng)，一條關(guān)鍵路徑在于首先為此創(chuàng)造出標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)構(gòu)件。

  近日，該團(tuán)隊(duì)在Nanoscale期刊上發(fā)表了一篇題為“Biomimetic Liquid Metal Cell”的研究文章，首次創(chuàng)制出液態(tài)金屬細(xì)胞，并揭示出這一基本功能單元十分豐富的物理化學(xué)特性，彰顯“小空間，大潛能”。文章第一作者為博士生李婧怡，通訊作者為劉靜研究員及趙曦博士。

  眾所周知，生物體渾然天成的細(xì)胞結(jié)構(gòu)主要由細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核組成（圖1A），這為人工系統(tǒng)的制造提供了寶貴啟示。通過(guò)構(gòu)建最小液態(tài)金屬細(xì)胞單元，可以實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)和尺度的功能體。與生物細(xì)胞在自然活物質(zhì)系統(tǒng)中所處的層級(jí)一樣，液態(tài)金屬細(xì)胞代表了一大類擁有明確邊界、內(nèi)含功能溶液和介質(zhì)、能夠獨(dú)立響應(yīng)環(huán)境刺激的微型人工單元。在此篇論文報(bào)道的典型構(gòu)型中（圖1B），作者們引入金屬液滴作為細(xì)胞核，用以提供基本的感知、響應(yīng)和信息傳遞功能；周圍小腔室中的電解質(zhì)溶液則充當(dāng)細(xì)胞質(zhì)，以促進(jìn)金屬核與外部環(huán)境之間的相互作用；而最外層的凝膠細(xì)胞膜旨在隔離各液態(tài)金屬單元，同時(shí)又起到維持雙電層對(duì)金屬內(nèi)核的主導(dǎo)作用，并允許胞內(nèi)物質(zhì)與外部環(huán)境之間的交換。文章建立了一種新型的多層構(gòu)建方法（圖1C），制造出了一系列形態(tài)和功能各異的多層柔性細(xì)胞結(jié)構(gòu)如阿米巴型、草履蟲(chóng)型、三角藻屬、紅細(xì)胞型、上皮細(xì)胞、肌肉細(xì)胞、神經(jīng)元等形態(tài)（圖1E）。圖1F進(jìn)一步展示了液態(tài)金屬細(xì)胞的滲透行為，反映出封裝在內(nèi)部囊泡中的色素溶液，在濃度梯度驅(qū)動(dòng)下向外部溶液環(huán)境中擴(kuò)散的情形。這些結(jié)構(gòu)特性使得液態(tài)金屬細(xì)胞能夠作為獨(dú)立的系統(tǒng)，借助膜結(jié)構(gòu)與外界發(fā)生有效的物質(zhì)與信息交換。利用復(fù)合水凝膠固有的pH和溫度依賴性溶脹特性，可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)此類滲透過(guò)程。而基于外部刺激誘發(fā)出的膜孔徑的有效調(diào)控，則使得液態(tài)金屬細(xì)胞在可控藥物遞送方面的應(yīng)用也頗具潛力。文中提出的液態(tài)金屬細(xì)胞在原理上具有普遍意義，其組分、結(jié)構(gòu)和功能可根據(jù)需要在此基礎(chǔ)上不斷升級(jí)換代。雖然這些人工制成的液態(tài)金屬細(xì)胞與受代謝過(guò)程調(diào)控的生物實(shí)體間存在本質(zhì)區(qū)別，但它們成功復(fù)制了自然細(xì)胞的系統(tǒng)性作用，已展現(xiàn)出廣泛的環(huán)境適應(yīng)性和豐富的響應(yīng)特性，為構(gòu)筑更為綜合的功能體邁出了關(guān)鍵一步。

圖1 液態(tài)金屬細(xì)胞制造方法及其典型結(jié)構(gòu)與形態(tài)

  生命系統(tǒng)中，及時(shí)響應(yīng)未知變化和風(fēng)險(xiǎn)是活物質(zhì)賴以生存、適應(yīng)和進(jìn)化的基礎(chǔ)。作為基本的功能單元，液態(tài)金屬細(xì)胞同樣也須面對(duì)復(fù)雜動(dòng)態(tài)的環(huán)境，而非僅是置身于理想內(nèi)環(huán)境的庇護(hù)中。作為構(gòu)建人工系統(tǒng)的基礎(chǔ)，液態(tài)金屬細(xì)胞促進(jìn)了金屬液滴從依賴溶液空間向在開(kāi)放空氣環(huán)境中作為獨(dú)立實(shí)體發(fā)揮功能的轉(zhuǎn)變。由于液態(tài)金屬細(xì)胞的所有組成材料均具有導(dǎo)電性，研究中采用電阻作為關(guān)鍵參數(shù)來(lái)有效刻畫(huà)這一人工細(xì)胞的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，系列試驗(yàn)揭示出豐富的物理化學(xué)效應(yīng)（圖2）。當(dāng)暴露于外部刺激時(shí)，電阻可作為敏感且易于量化的指標(biāo)，反映細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)和組成變化，研究表明液態(tài)金屬細(xì)胞具有優(yōu)異的本征感知能力，在外部機(jī)械場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)和熱場(chǎng)的作用下，均能保持結(jié)構(gòu)完整并呈現(xiàn)出規(guī)律性的電阻變化。這些特性在構(gòu)筑各種功能單元上十分有益。自然環(huán)境中，機(jī)械應(yīng)力無(wú)處不在，無(wú)論其源于流體動(dòng)力、重力，還是機(jī)器人與周圍介質(zhì)發(fā)生物理接觸，均是如此，液態(tài)金屬細(xì)胞的機(jī)械魯棒性為迅速感知各類壓力提供了高效手段（圖2C），這一功能單元的引入一方面增強(qiáng)了整體結(jié)構(gòu)的環(huán)境適應(yīng)性，其在壓縮測(cè)試過(guò)程中并未發(fā)生結(jié)構(gòu)失效，顯示出結(jié)構(gòu)的完整性和變形能力，另一方面其力-電響應(yīng)特性使得液態(tài)金屬細(xì)胞能夠在不同壓力下擴(kuò)展其適應(yīng)性和物理可重構(gòu)性。在化學(xué)響應(yīng)方面，自然環(huán)境中的化學(xué)梯度常常是生命不可回避的因素。本項(xiàng)研究進(jìn)一步考察了液態(tài)金屬細(xì)胞能否通過(guò)維持動(dòng)態(tài)平衡來(lái)適應(yīng)外部化學(xué)環(huán)境的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)當(dāng)暴露于與內(nèi)部細(xì)胞質(zhì)溶液濃度和體積相當(dāng)?shù)柠}酸溶液時(shí)，液態(tài)金屬細(xì)胞會(huì)表現(xiàn)出明顯的形態(tài)與物理化學(xué)響應(yīng)（圖2D）。對(duì)溫度波動(dòng)響應(yīng)的測(cè)試也反映出類似的靈敏性，液態(tài)金屬細(xì)胞對(duì)外部溫度變化具有很好的整體電學(xué)響應(yīng)特性（圖2E），可以對(duì)內(nèi)外環(huán)境溫度變化實(shí)時(shí)感知，由此增強(qiáng)了系統(tǒng)抵抗熱擾動(dòng)的能力。

圖2 液態(tài)金屬在機(jī)械壓力、化學(xué)場(chǎng)及溫度場(chǎng)作用下的響應(yīng)行為

  除了靜態(tài)響應(yīng)之外，定向運(yùn)動(dòng)能力對(duì)于液態(tài)金屬細(xì)胞與環(huán)境相互作用并執(zhí)行特定任務(wù)也至關(guān)重要。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在直流電場(chǎng)作用下，溶液中的液態(tài)金屬細(xì)胞能夠產(chǎn)生有趣的定向旋轉(zhuǎn)（圖3），這種運(yùn)動(dòng)特性與小腔室中金屬內(nèi)核的體積以及外場(chǎng)電壓的幅值密切相關(guān)。同時(shí)，水凝膠外膜的存在有效隔離了金屬內(nèi)核與外界電極的直接接觸，也避免了劇烈氧化，并作為機(jī)械傳動(dòng)履帶將金屬內(nèi)核的位移轉(zhuǎn)化為細(xì)胞整體的宏觀運(yùn)動(dòng)。而若將內(nèi)核替換為液態(tài)金屬磁性流體，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和定位的三維時(shí)空控制，說(shuō)明液態(tài)金屬細(xì)胞具有很大的功能拓展潛力。

圖3 液態(tài)金屬細(xì)胞在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)特性

  論文還特別探究了液態(tài)金屬細(xì)胞的耐寒特性，即極端低溫條件下的穩(wěn)定性和性能保持問(wèn)題，評(píng)估了液態(tài)金屬細(xì)胞從室溫快速冷卻至-13 ℃的響應(yīng)規(guī)律（圖4），發(fā)現(xiàn)由于同時(shí)包含凝膠、水溶液、液態(tài)金屬等組分，液態(tài)金屬細(xì)胞會(huì)表現(xiàn)出較之單一物質(zhì)更為復(fù)雜豐富的降溫相變過(guò)程。總體上，金屬內(nèi)核的引入通過(guò)相變誘導(dǎo)的熱緩沖從根本上改變了系統(tǒng)的熱行為，此種熱調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)了液態(tài)金屬細(xì)胞的魯棒性，使其在極端環(huán)境條件下也能保持結(jié)構(gòu)完整性和功能化，這對(duì)于低溫保存或在惡劣環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)等應(yīng)用較為關(guān)鍵。

圖4 液態(tài)金屬細(xì)胞經(jīng)受極端低溫作用時(shí)的響應(yīng)情況

  不難看出，液態(tài)金屬細(xì)胞的問(wèn)世，提供了一個(gè)前所未有的獨(dú)立的可擴(kuò)展、多功能平臺(tái)。為說(shuō)明其應(yīng)用，文章展示了液態(tài)金屬細(xì)胞在變形通道中的幾類工作場(chǎng)景（圖5），發(fā)現(xiàn)通過(guò)集成導(dǎo)電性、磁響應(yīng)性和形態(tài)適應(yīng)性，可將有關(guān)功能單元發(fā)展成高靈敏性微型傳感器、智能流體閥門、高分辨成像單元以及高效材料運(yùn)輸載體甚至是腫瘤血管栓塞治療器件等，彰顯了液態(tài)金屬細(xì)胞在底層原理與技術(shù)上的基礎(chǔ)性和衍生性，預(yù)計(jì)可望在廣泛領(lǐng)域中大顯身手。

圖5 液態(tài)金屬細(xì)胞在流道中的運(yùn)動(dòng)和形變行為

  總的說(shuō)來(lái)，此項(xiàng)研究建立的仿生液態(tài)金屬細(xì)胞，向著實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬活物質(zhì)獨(dú)立化、結(jié)構(gòu)化和功能可拓展性以及通向集成化邁出了第一步。未來(lái)，更多液態(tài)金屬功能體的實(shí)現(xiàn)和組裝，正可從這些微小的人工細(xì)胞開(kāi)始。

  文章鏈接：https://doi.org/10.1039/D6NR00291A