科学家用植物水凝胶制造可导航、可改变形状的微型机器人

科学家用植物水凝胶制造可导航、可改变形状的微型机器人与刚性微型机器人不同，软性微型机器人对组织更友好，因为它们可以轻松通过或挤入生物系统。然而，挑战在于如何制造出能够感知和适应环境的软微型机器人，而且由于它们是异物，不会引发免疫反应。英国滑铁卢大学（UniversityofWaterloo）的研究人员开发了一种生物相容性植物水凝胶，用于制造可导航的微型机器人，这种机器人能够根据外部化学刺激改变形状。该研究的通讯作者哈迈德-沙沙万（HamedShahsavan）说："在我的研究小组中，我们正在连接新与旧。"我们利用水凝胶、液晶和胶体等传统软物质，推出了新兴的微型机器人。"这种微小的软机器人最长只有0.4英寸（1厘米），由先进的水凝胶复合材料制成，其中包括可持续的、植物提取的纤维素纳米颗粒。除了具有生物相容性和无毒性外，这种材料还能自我修复；它可以切割，然后再粘合在一起，无需胶水或其他粘合剂，就能形成不同的形状，用于不同的应用。当受到化学刺激时，水凝胶会改变形状，研究人员可以随意调整纤维素纳米粒子的方向，从而"编程"机器人的形状变化，这对于软体机器人来说是一项重要的能力。研究人员设计并测试了两个具有pH响应的小型机器人。第一个机器人能够在pH值的触发下抓取、转移和释放球形或不规则的软生物货物。第二个机器人可以利用磁场通过远程导航在迷宫中转移轻型货物，如下面滑铁卢工程公司制作的视频所示。完成迷宫后，盐酸会使机器人展开并放下货物。研究人员说，水凝胶的pH响应特性意味着微型机器人有可能用于原生pH值较高的人体器官，并有能力耐受酸性pH环境，如膀胱。研究人员计划改进他们的设计，然后在实际应用中进行测试，包括开发一种机械性能更强的水凝胶配方，以提高承载能力。他们还计划将机器人微型化到纳米级尺寸，以便用于治疗或诊断。这种植物基水凝胶的开发标志着人们不再使用由天然聚合物组成的水凝胶，其中一种天然聚合物是从动物组织中提取的明胶。在最近的另一项研究中，来自新南威尔士大学悉尼分校（UNSW）的研究人员创造了一种实验室制造的水凝胶，这种水凝胶模仿人体组织，具有抗菌和自我修复功能，但不使用动物产品。该研究的第一作者阿什利-阮（AshleyNguyen）说："天然水凝胶在社会中广泛使用，从食品加工到化妆品，但需要从动物身上采集，这就带来了伦理问题。另外，动物提取的材料用于人体也有问题，因为会产生负面的免疫反应"。新南威尔士大学的研究人员转而使用所谓的"色氨酸拉链"（或称Trpzip）来制造水凝胶，Trpzip是含有多个色氨酸的氨基酸短链，可作为拉链促进自组装。新南威尔士大学的Trpzip水凝胶不含动物产品图/新南威尔士大学悉尼分校"我们认为，Trpzip水凝胶和类似材料将为动物源性产品提供更统一、更具成本效益的替代品，"该研究的通讯作者克里斯托弗-基利安（KristopherKilian）说。"如果我们的材料能减少科学研究中使用的动物数量，那将是一个巨大的成果。"滑铁卢大学的研究和新南威尔士大学的研究均发表在《自然通讯》（NatureCommunications）杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1391889.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1391889.htm

科学家创造出的新材料兼具玻璃聚合物的硬度和凝胶的拉伸性

科学家创造出的新材料兼具玻璃聚合物的硬度和凝胶的拉伸性研究人员创造了一种名为"玻璃凝胶"的新型材料，这种材料与玻璃聚合物一样坚硬，但如果施加足够的力，它可以拉伸到原长度的五倍，而不会断裂。玻璃态凝胶的一个关键特点是，它们的液体含量超过50%，这使得它们比具有类似物理特性的普通塑料更能有效导电。资料来源：北卡罗来纳州立大学王美香科学家们发明了一种名为"玻璃凝胶"的新型材料，这种材料尽管含有50%以上的液体，但却非常坚硬且不易破裂。加上玻璃凝胶易于生产，这种材料有望应用于多种领域。凝胶体和玻璃态聚合物是历来被视为截然不同的两类材料。玻璃态聚合物质地坚硬，通常比较脆。它们用于制造水瓶或飞机窗户等物品。凝胶（如隐形眼镜）含有液体，柔软而有弹性。"我们创造了一类被称为玻璃凝胶的材料，这种材料和玻璃聚合物一样坚硬，但如果施加足够的力，它可以拉伸到原来长度的五倍，而不会断裂，"这项研究论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程系卡米尔和亨利-德雷福斯教授迈克尔-迪基（MichaelDickey）说。"更重要的是，一旦材料被拉伸，你就可以通过加热使其恢复原状。此外，玻璃凝胶的表面具有很强的粘性，这在硬质材料中并不多见。"该论文的共同第一作者、北卡罗来纳州立大学博士后研究员王美香说："玻璃凝胶的一个关键特点是，它们的液体含量超过50%，这使得它们比物理特性相当的普通塑料更能高效导电。考虑到这些材料所具有的许多独特性质，我们对它们的用途感到乐观。"玻璃态凝胶，顾名思义，实际上是一种结合了玻璃态聚合物和凝胶最诱人特性的材料。为了制造玻璃态凝胶，研究人员首先将玻璃态聚合物的液态前体与离子液体混合。将这种混合液体倒入模具中，暴露在紫外线下，使材料"固化"。然后移除模具，留下玻璃状凝胶。"离子液体是一种溶剂，就像水一样，但完全由离子组成，"Dickey说。"通常在聚合物中添加溶剂时，溶剂会推开聚合物链，使聚合物变得柔软、可伸展。这就是为什么湿隐形眼镜柔软，而干隐形眼镜不柔软的原因。在玻璃态凝胶中，溶剂会将聚合物分子链推开，使其像凝胶一样具有拉伸性。然而，溶剂中的离子会强烈吸引聚合物，从而阻止聚合物链移动。链条无法移动就使其成为玻璃状。最终的结果是，由于吸引力的作用，材料变得坚硬，但由于额外的间距，材料仍然能够拉伸。"研究人员发现，玻璃凝胶可以用各种不同的聚合物和离子液体制成，但并非所有类别的聚合物都能用于制造玻璃凝胶。Dickey说："带电或极性的聚合物有望用于玻璃凝胶，因为它们会被离子液体吸引。也许玻璃凝胶最吸引人的特点就是它们的粘性，因为虽然我们知道是什么让它们变得坚硬和可拉伸，但我们只能猜测是什么让它们如此具有粘性。"在测试中，研究人员发现，玻璃状凝胶即使含有50-60%的液体，也不会蒸发或变干。他们还认为，玻璃凝胶易于制造，因此有望得到实际应用。Dickey说："制造玻璃态凝胶是一个简单的过程，可以通过在任何类型的模具中固化或3D打印来实现。大多数具有类似机械性能的塑料都要求制造商将聚合物作为原料进行生产，然后将聚合物运输到另一个工厂，在那里聚合物被熔化并形成最终产品。我们很高兴看到如何使用玻璃凝胶，并愿意与合作者一起确定这些材料的应用"。这篇题为"由溶剂增韧的玻璃凝胶"的论文于6月19日发表在《自然》杂志上。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435551.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435551.htm

科学家研发自愈合混凝土 用休眠细菌修补裂缝

科学家研发自愈合混凝土用休眠细菌修补裂缝生物纤维自愈合混凝土工作时的彩色扫描电子显微镜图像但现实世界很少按照理想状态运行，因此混凝土会不断受到风化，从而产生裂缝。这才是真正的问题所在，因为温度波动会迫使裂缝扩大，而湿气则会引发各种侵蚀混凝土的过程。因此，混凝土结构需要经常维护，这不仅成本高昂且不方便，还会增加制造这种材料对环境的影响（本来就很大）。如果能找到减缓劣化的方法，就能省去很多麻烦。这就是德雷克塞尔生物纤维的用武之地。这些聚合物纤维不仅能起到物理加固作用，还具有重要的双重作用，即自我修复机制。纤维表面涂有一层水凝胶，水凝胶中含有内生孢子，内生孢子是细菌的休眠形式，可以抵御极端环境，当环境变得更舒适时，内生孢子又会重新苏醒。然后在水凝胶层上涂上一层薄薄的聚合物外壳。生物纤维混凝土可以像其他混凝土一样使用，但它的秘密超能力只有在以后开裂时才会显现出来。当水到达生物纤维时，水凝胶就会膨胀并破壳而出，推向地表。在这个过程中，沉睡的细菌被唤醒，它们开始从周围的混凝土中吸取碳和钙。这就产生了碳酸钙，一种填充和修补裂缝的胶结材料。该团队的首席研究员阿米尔-法纳姆（AmirFarnam）说："这是一项令人兴奋的进展，因为我们一直在努力利用大自然的灵感来改进建筑材料。我们每天都在看到，老化的混凝土结构正在遭受破坏，从而降低了其功能寿命，并需要进行昂贵的关键性维修。试想一下，它们能自我修复吗？在我们的皮肤中，我们的组织通过注入自我修复液--血液--的多层纤维结构自然实现自我修复。这些生物纤维模仿了这一概念，并利用造石细菌创造出能对损伤做出反应的活体自愈混凝土。"研究小组表示，虽然愈合时间可能会有所不同，但生物纤维似乎能够在短短一两天内修补裂缝。以前的研究已经制造出了注入细菌的自愈合混凝土，但主要挑战之一是如何在混凝土完好无损的情况下保持微生物长期存活。使用包裹在聚合物保护壳下的水凝胶中的休眠内生孢子可能就是答案。虽然还有很多工作要做，但研究人员表示，生物纤维混凝土最终可以帮助降低建筑物的维护要求，并减少混凝土生产过程中的二氧化碳排放量。这项研究发表在《建筑与建材》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1398397.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1398397.htm

科学家利用活蓝藻作为中和水体污染物的材料

科学家利用活蓝藻作为中和水体污染物的材料这种材料由加州大学圣迭戈分校的科学家团队开发，由一种名为海藻酸盐的海藻衍生天然聚合物制成，并与活的细长球藻蓝藻结合在一起。制成的水凝胶被打印成表面积与体积比很高的华夫饼状网格图案。这种结构将大部分微生物置于凝胶表面附近，使它们更容易获得维持生命的养分、气体和阳光，从而提高了细菌的存活率。重要的是，蓝藻经过基因工程改造，可以产生一种叫做漆酶的酶。此前的研究表明，漆酶能够分解双酚A（BPA）、抗生素、药物和染料等水性污染物。在实验室测试中，这种新材料成功地中和了靛蓝胭脂红，而靛蓝胭脂红是一种有毒染料，常用于牛仔裤的生产。当然，谁也不希望基因工程蓝藻在完成任务后仍残留在环境中。有鉴于此，这种微生物还被设计成能产生一种蛋白质，当它们接触到一种名为茶碱的天然化学物质时，这种蛋白质就会破坏它们的单细胞躯体。尽管如此，由于茶碱不是水生环境中的原生物质，因此也没有人希望它进入自己的湖泊或河流。因此，科学家们现在正在研究如何对这种细菌进行工程改造，使其自毁可以由环境中已有的刺激物触发。这项研究的共同负责人乔恩-波科斯基（JonPokorski）教授说："我们对这项工作可能带来的可能性感到兴奋，我们可以创造出令人兴奋的新材料。当拥有材料科学和生物科学跨学科专业知识的研究人员携手合作时，就能产生这样的研究成果"。有关这项研究的论文最近发表在《自然通讯》（NatureCommunications）杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382107.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382107.htm

科学家用合成生物学和三维打印技术打造可编程的生命材料

科学家用合成生物学和三维打印技术打造可编程的生命材料从第1天（左）到第14天（右），3D打印在水凝胶中的植物细胞生长并开始繁茂成黄色的细胞簇。图片来源：改编自ACSCentralScience2024，DOI:10.1021/acscentsci.4c00338最近，研究人员一直在开发工程活体材料，主要依靠细菌和真菌细胞作为活体成分。然而，植物细胞的独特特性激起了将其用于工程植物活体材料（EPLMs）的热情。以前，科学家们创造的基于植物细胞的材料结构相当简单，功能有限。余子怡、狄振高及其同事希望改变这种状况，他们制作了形状复杂的EPLM，其中含有可定制行为和功能的基因工程植物细胞。24天后，植物细胞在两种不同的生物墨水中产生的颜色在这种叶形工程活体材料中清晰可见。来源：改编自ACSCentralScience2024，DOI:10.1021/acscentsci.4c00338研究人员将烟草植物细胞与含有农杆菌的明胶和水凝胶微粒混合，农杆菌是一种常用于将DNA片段转入植物基因组的细菌。然后将这种生物墨水混合物在平板上或装有另一种凝胶的容器内进行3D打印，形成网格、雪花、树叶和螺旋等形状。接着，用蓝光固化打印材料中的水凝胶，使结构硬化。在随后的48小时内，EPLMs中的细菌将DNA转移到生长中的烟草细胞上。然后他们用抗生素清洗这些材料，以杀死细菌。在接下来的几周里，随着植物细胞在EPLMs中生长和复制，它们开始根据转移的DNA生成蛋白质。在这项概念验证研究中，转移的DNA使烟草植物细胞能够产生绿色荧光蛋白或贝特类色素--红色或黄色的植物色素，可作为天然着色剂和膳食补充剂。通过用两种不同的生物墨水打印叶形EPLM--一种墨水沿叶脉产生红色素，另一种墨水在叶片的其他部分产生黄色素--研究人员表明，他们的技术可以产生复杂的、空间可控的多功能结构。研究人员说，这种EPLM结合了生物体的特征和非生物物质的稳定性和耐久性，可以用作细胞工厂，生产植物代谢物或药物蛋白质，甚至用于可持续建筑应用。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1429308.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1429308.htm

科学家使用低能量蓝光脉冲的仿生材料可重塑受损角膜

科学家使用低能量蓝光脉冲的仿生材料可重塑受损角膜渥太华大学的一个研究小组及其合作者揭示了一种由低能量蓝光脉冲激活的可注射生物材料在现场修复眼球穹隆外层方面的巨大潜力。资料来源：渥太华大学医学院多学科研究人员的研究结果令人信服，他们采用的设计方法以生物仿生学为指导，从大自然中汲取创新灵感，结果表明，新型光活化材料可用于有效重塑和增厚受损角膜组织，促进愈合和恢复。这项技术有可能改变角膜修复领域的游戏规则；全球有数千万人患有角膜疾病，只有一小部分人有资格接受角膜移植手术。移植手术是目前治疗角膜变薄等疾病的黄金标准，角膜变薄是一种不为人知的眼病，会导致许多人丧失视力。"我们的技术是角膜修复领域的一次飞跃。"渥太华大学医学院副教授、渥太华大学心脏研究所生物工程与治疗方案（BEaTS）小组研究员EmilioAlarcon博士说："我们相信，这将成为治疗包括角膜炎在内的对角膜形状和几何形状有负面影响的疾病患者的实用解决方案。"角膜是虹膜和瞳孔前面的保护性圆顶状眼球表面。它控制并引导光线进入眼球，帮助获得清晰的视力。角膜通常是透明的。但受伤或感染会导致角膜结疤。渥太华大学医学院副教授、渥太华大学心脏研究所生物工程和治疗方案（BEaTS）小组研究员埃米利奥-阿拉尔孔（EmilioAlarcon）博士。资料来源：渥太华大学医学院合作团队的研究成果发表在高影响力科学杂志《先进功能材料》（AdvancedFunctionalMaterials）上。该团队设计和测试的生物材料由短肽和称为糖胺聚糖的天然聚合物组成。这种材料以粘稠液体的形式，通过手术在角膜组织内形成一个微小的口袋后注入其中。在低能量蓝光的脉冲作用下，注入的肽基水凝胶会在几分钟内硬化并形成类似组织的三维结构。阿拉尔孔博士说，这将成为一种透明材料，其特性与猪角膜中测得的特性相似。使用大鼠模型进行的体内实验表明，光活化水凝胶可以增厚角膜，而且没有副作用。与其他研究相比，研究小组采用的蓝光剂量要小得多，他们还成功地在体外猪角膜模型中测试了这项技术。在进行人体临床试验之前，有必要在大型动物模型中进行测试。"我们的材料经过设计，能够采集蓝光能量，从而触发材料当场组装成类似角膜的结构。我们累积的数据表明，这种材料无毒，并能在动物模型中保持数周之久。"Alarcon博士说："我们预计我们的材料在人类角膜中将保持稳定且无毒，"他所在的渥太华大学实验室致力于开发具有心脏、皮肤和角膜组织再生能力的新材料。这项严谨的研究历时七年多才进入发表阶段。"从光源到研究中使用的分子，我们必须对这项技术所涉及的每一部分组件进行工程设计。这项技术的开发是为了实现临床转化，这意味着所有部件的设计都必须严格遵守无菌标准，最终实现可制造性，"Alarcon博士说。研究成果也是专利申请的重点，目前正在进行许可谈判。Alarcon博士是这项研究的资深作者，负责指导研究的材料设计方面，而渥太华大学的MarceloMuñoz博士和AidanMacAdam在创造这项新技术方面发挥了重要作用。跨学科合作者包括蒙特利尔大学科学家、角膜再生专家梅-格里菲斯博士和眼科与角膜移植专家伊莎贝尔-布鲁内特博士。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1373925.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1373925.htm