在自然界中，对力学刺激的感知是活细胞的基本特性，它使得细胞能够检测、解读、响应并适应外部复杂环境。此外，力学感知在工程领域中也发挥着重要作用，如可穿戴设备和软体机器人等。尽管科研人员已经开发出多种材料和结构来感知力学刺激，但人造系统在灵敏度、能源利用效率和自主水平等方面仍然远远落后于生物系统。与此同时，近年来，生物融合（biohybrid approach）已经成为一个新兴的将生物功能嵌入到人工材料的热点领域。但迄今为止，却鲜有研究报道具有力学感知功能的活性材料体系。此外，如何用简易的方法制造活性材料、延长其寿命、缩短其响应时间、降低其维护成本，仍然是制约活性材料实际应用的关键因素。
针对该问题，在前期生物融合发光器件的基础上（Nat.Commun.13 (1), 3914），加州大学圣地亚哥分校蔡盛强教授团队，通过将力致发光海洋甲藻嵌入到生物相容性的水凝胶中，发展了一种超灵敏且强韧的力致发光活性软材料体系。该活性材料具有高灵敏度(Pa~kPa)，可快速响应（~20ms），并且维护简单，只需要光照和黑暗条件进行生理循环。在疏水涂层的保护下，该活性材料在恶劣条件下（海水及酸、碱溶液）仍具有5个月的使用寿命。该材料还适用于具有高分辨率（~0.39mm）的直写式3D打印，并可以通过双网络水凝胶实现力学性能增强。此外，研究者提出了一个数学模型来分析力致发光行为，并与实验相比取得了较好的一致性。该活性材料有望用于力学传感、软体机器人和生物光疗等领域，同时也可作为一个材料平台来研究基础的生物力学感知。
首先，作者将海藻酸钠水凝胶溶液与发光细胞培养液混合，然后利用CaCl2溶液进行离子交联，将细胞限制在凝胶中（图1A）。在黑暗条件下，压缩该活性材料可触发其近乎瞬时的发光（图1B）。而用物体在该材料表面滑动，可触发其局部发光（图1C）。为了展示该材料的高灵敏度，作者让一个轻质泡沫球在其表面滚动，来自球的微小压力（~10mN）仍可激活其发光（图1D）。为了增强该活性材料在不可预测条件下的耐用性，作者在其表面制备了疏水涂层，实现了在海水环境中5个月的使用寿命（图1E）。作者进一步在涂层中加入颜料，可实现对发光颜色光谱的调节（图1F）。
在制备活性软材料后，紧接着，作者利用浸涂工艺，在其表面制备了一层疏水弹性体涂层（图2A）。对于有涂层的样品，当其保存在海水中，并进行光照和黑暗生理循环时，其质量可在5个月内保持不变（图2B，黑线），其发光性能也可以维持稳定（图2E，下）。对于有涂层但保存在空气中的样品，其质量会缓慢减小（图2B，红线），发光性能可维持15天（图2E，上）。但对于没有涂层的样品，当其保存在海水（图2B，深蓝线）或者空气（图2B，浅蓝线）中时，其质量都会剧烈变化，发光能力也只能维持两天（图2D）。此外，和未涂层的样品相比，涂层可增强活性软材料的力学性能，保持其结构完整性（图 2C）。
图2.疏水涂层用于增强活性软材料的稳定性、使用寿命和力学性能
紧接着，作者对含有细胞的水凝胶混合液进行流变调控，以获得剪切致稀性质用于直写式3D打印。作者打印了不同形状的混合液，然后利用CaCl2溶液进行离子交联（图 3A）。作者展示了不同的一维和二维图案，在黑暗环境中，施加力学刺激可触发整个图案的发光（图3B）。对于一些三维结构，同样地，施加力学变形可激活其发光（图3C和D）。得益于水凝胶良好的生物相容性以及发光细胞的坚韧性，作者展示了在线宽约为0.39毫米的情况下，打印结构仍可维持力致发光（图3E）。
图3.利用3D打印将活性软材料打印成具有高分辨率的不同几何图案
四、利用生物相容性双网络水凝胶增强活性软材料的力学性能
如上所述，该活性软材料具有一些优点并适合3D打印，但藻酸盐水凝胶是众所周知的脆性材料，无法承受大变形。为此，作者合成了一种基于生物相容性双网络水凝胶的活性软材料，用于提升其力学性能。该体系由藻酸盐网络和PEGDA网络组成（图4A)。在大变形下，双网络活性软材料可维持发光性能，并保持结构完整（图4B）。力学测试表明，与单网络活性软材料相比，双网络活性软材料的破坏应变和破坏强度都得到了显著提高（图 4C）。值得提出的是，单网络活性软材料仍可承受45%左右的压缩应变（图 4D）。断裂测试表明，双网络活性软材料在有裂纹的情况下，仍可承受3倍的拉伸变形，其断裂韧性是单网络软材料的十倍左右，并且出现明显的裂纹钝化现象（图4E,F,G和H）。
图4.利用双网络水凝胶对力致发光活性软材料进行力学增强
接下来，作者基于前期对单个发光细胞的定量化研究（Phys.Rev.Lett.125 (2), 028102；Biophys.J.108, 1341-1351），提出了一个数学模型来预测力致发光行为，并且与实验结果取得了较好的一致性。根据对细胞内力学传感途径的分析，作者提出了由一组常微分方程构建的物理模型（图5B）。在实验中，作者对长条形样品施以加载、保持和卸载三个连续的测试步（图5A；图5C，中）。在第一组测试中，作者改变了最大位移δmax,并控制位移速率
不变（图5C）。在第二组测试中，作者改变了位移速率
，并控制最大位移δmax不变（图 5D）。同时，作者通过视频处理，得到了发光强度随时间的变化曲线。
在加载阶段，发光强度从零上升至峰值（图5A）。峰值出现的时间点和宽度与细胞内生化反应的本征时间尺度相关，并且通常出现在最大应力前，而这一规律又受δmax和
影响。在位移保持阶段，发光强度在2到5秒逐渐衰减。而在卸载阶段，光强又会突然上升。由于甲藻细胞的发光不仅取决于变形，还取决于变形速率，因此在测试中，位移速率的变化很可能触发了细胞内生物发光信号的串级反应。结果表明，发光强度Ιmax取决于
（图5D；图5E，左），而峰值对应的时间尺度τFWHM取决于δmax和
（图5E，中）。为了校准该模型，作者还需进行数据拟合，得到联系各个变量之间的模型常数（图5E）。利用这些关系，在确定了模型参数和初始值后，作者使用归一化的应力变化率
作为模型输入信号，成功拟合了发光强度，并且与实验相比取得了良好的一致性（图 5C和D）。这一定量化的数学模型可以为该活性材料的力学传感应用打下基础。
总而言之，借助生物融合方法，作者开发了一种高灵敏且坚韧的力致发光活性软材料，具有快速响应、长寿命、可打印、力学强韧等特点。此外，作者提出了一个数学模型来定量分析力致发光，与实验相比取得了较好的一致性。该材料有望用于软体机器人、柔性传感和生物光疗等领域。
该工作近期发表于国际权威综合性期刊《Science Advances》。UCSD博士生李成海为第一作者，蔡盛强教授为通讯作者，UCSD海洋生物学家Michael I. Latz教授提供了生物方面的研究支持，荷兰阿姆斯特丹大学的Maziyar Jalaal教授和其博士学生Nico Schramma提供了理论模型分析，UCSD博士生Zijun Wang和Nada F. Qari为论文共同作者。
原文及参考文献
1.Ultrasensitive and robust mechanoluminescent living composites. Chenghai Li, Nico Schramma, Zijun Wang, Nada F. Qari, Maziyar Jalaal, Michael I Latz, Shengqiang Cai. https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adi8643
2.Highly robust and soft biohybrid mechanoluminescence for optical signaling and illumination. Chenghai Li, Qiguang He, Yang Wang, Zhijian Wang, Zijun Wang, Raja Annapooranan, Michael I Latz, Shengqiang Cai. https://www.nature.com/articles/s41467-022-31705-6
3.Stress-Induced Dinoflagellate Bioluminescence at the Single Cell Level. Maziyar Jalaal, Nico Schramma, Antoine Dode, Hélène De Maleprade, Christophe Raufaste, Raymond E Goldstein. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.028102
4.Mechanosensitivity of a rapid bioluminescence reporter system assessed by atomic force microscopy. Benoit Tesson,and Michael I. Latz. https://www.cell.com/biophysj/fulltext/S0006-3495(15)00169-1
相关进展
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