仿生材料的微觀結構控制正進入一個令人激動的新時代︱啟明星之聲

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啟明星之聲

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微觀結構的重要意義

為什么我們的眼角膜晶瑩剔透，而緊鄰的鞏膜卻呈不透明的白色？這是因為，雖然它們的主要成分都是膠原蛋白，但其內部微觀纖維排列方式截然不同，所以角膜高度透明而鞏膜則呈現白色。類似地，平行排列的纖維賦予肌腱和肌肉強大的力學性能，而交錯排列的纖維讓皮膚柔軟并富有彈性。

由此可見，生物組織的性能很大程度上來源于其微觀結構的精巧設計（圖1）。微米乃至納米尺度上的微觀結構排列，往往決定了材料的宏觀性能和功能。

圖1 膠原蛋白在不同組織器官中的微觀結構

對于生物材料而言，微觀結構不僅影響材料本身的物理性質，還會通過提供特殊的表面形貌來調控細胞的行為。科學家發現，細胞對和自身尺寸相近的微觀結構極為敏感，會因為支架材料表面的細微花紋而“改邪歸正”或“奮發圖強”。

比如，相較于筆直的纖維，微微彎曲的纖維可以使細胞在附著時拉出“細胞橋”，從而改變細胞內部受力狀態，促進干細胞分化為成骨細胞。

再比如，在材料表面刻出寬度僅800納米的平行溝槽，就能顯著提高細胞的遷移速度，加速小鼠骨缺損的愈合；而略寬一些的微米級溝槽則通過空間約束作用，能顯著提高神經軸突的生長速度和定向性。

由此可見，材料的微觀形貌和結構能在不經意間影響細胞命運，而這正是生物材料設計中不可忽視的一環。

那么，我們能否像搭樂高積木一樣，自主搭建出具有特定微觀結構的生物材料，從而賦予其所需的性能和功能呢？現實中這絕非易事。傳統的兩大類制造策略——“自上而下”和“自下而上”——各有局限，很難精確還原大自然在微觀尺度上的巧奪天工。但也正因如此，新興組裝制造技術正在不斷涌現。

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微觀結構制造的挑戰

自上而下的方法包括模板鑄造、蝕刻、微流控以及3D打印等，它們擅長從宏觀形狀入手進行加工。以3D打印為例，盡管如今能打印各種生物材料，但受制于打印噴嘴和墨滴尺寸，分辨率通常在幾十微米到數百微米之間。要在亞微米乃至納米尺度上雕琢內部結構，自上而下的方法往往有心無力。

目前這類技術在微納米顆粒等有限場景有一定成功案例，如微流控制造的納米顆粒，但總體而言，要在宏觀結構內控制形成更精細的微觀結構依然存在挑戰。

自下而上的方法則從分子或納米級單元出發構筑材料，比如分子自組裝和化學合成。某些高分子能夠在特定條件下自發組裝形成球形、蠕蟲狀或囊泡狀的納米結構，兩親分子（親水/親油兩端）也能組裝出膠束、納米帶、網絡水凝膠等尺寸為幾十到幾百納米的結構。在體外，I型膠原蛋白溶液升溫后甚至會自行組裝成纖維網絡，增強細胞的增殖和信號傳導。

然而，這些自下而上的成果大多停留在納米尺度，并且通常是隨機取向、無特定次級結構的“團簇”，很難進一步擴展到更高層級的有序結構。例如，膠原在體外自發形成的纖維只是雜亂無章地交織成網，遠不如肌腱、角膜等組織那樣高度定向排列，因此難以賦予材料相應的力學和光學性能。

總的來說，無論自上而下還是自下而上，當前技術在微觀尺度的結構控制方面都捉襟見肘。

面對這一難題，科學家開始從大自然取經，嘗試“動態自組裝”的策略，即在自組裝過程中加入“外力”，有目的地引導材料從微觀到宏觀，逐步形成有序結構。

事實上，生命體本身就擅長借助外力來塑形。例如，有的細菌群體通過高速游動攪動周圍液體，當達到足夠濃度時便能自發形成規則的二維晶體結構。再如，當細胞生存在擁擠的細胞外基質環境中，這里的膠原分子因為受到空間約束，反而更容易整齊地排列成有序纖維。其中，電場是生命體中重要的“隱形之手”——在組織發育和愈合中，生物電信號調控著相關細胞行為，體內的電場影響著帶電生物大分子的分布，營造出有利于細胞生長的微環境。

既然如此，研究者不禁想到：能否在體外利用電場這只巧手來指導生物大分子的組裝，打造出仿生的微觀結構？

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電場調控的動態自組裝技術

電場驅動的自組裝，通俗地講就是利用電場在分子層面進行排兵布陣。其核心方法是通過電極施加特定的電信號，使得溶液中帶正電荷的天然大分子（如殼聚糖、膠原蛋白等）被吸引到帶負極性的陰極上富集，并利用電極表面產生的局部化學變化誘導它們發生定向組裝（圖2）。

具體來說，當電極通電時，陰極表面發生水解析出OH-離子，造成局部pH升高，在一定范圍里形成pH梯度。帶正電的生物大分子在電場力作用下朝陰極電泳遷移，當它們來到陰極表面時，周圍的堿性環境使其電荷中和、溶解度降低，從而在電極上沉積、組裝為水凝膠狀的固體結構。通過精巧設計電流強度、信號模式等參數，該技術可以像指揮交通一樣控制分子何時何地“扎堆”，由此打造出所需的微觀結構。

圖2 電場調控的動態自組裝原理

電場調控自組裝在膠原蛋白材料上展現出令人驚喜的效果。

研究人員將酸性溶液中的膠原分子置于恒定電流場中，僅用15分鐘便在陰極表面沉積出一層厚約0.5毫米的膠原水凝膠膜。這層通過電場“速成”的膠原膜在干燥后依然透明澄澈，如同隱形眼鏡一般。相比之下，傳統方法自發形成的同等厚度膠原水凝膠由于纖維散射光線，干燥后呈乳白色不透明。

經顯微分析發現，電場組裝所得的膠原膜內部由直徑僅10納米左右的極細膠原原纖維緊密排列構成，而常規方法得到的膠原則形成了直徑數微米的粗大纖維且雜亂分布。纖維越細越緊密，材料就越透明——這正是電場賦予膠原膜高透光性的秘訣。

由于這些納米級原纖僅通過氫鍵等弱相互作用粘連，整個膠原網絡呈現一種“熔融微纖維態”：質地柔軟、高度可塑，受到外力作用時，會像橡皮泥一樣在內部發生重排而不會立刻斷裂。將這種膠原膜定向牽拉后，原本無序的納米纖維形成了方向一致的平行排列，初步具備了肌腱纖維束的雛形。

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場驅動組裝與其他技術的對比

電場調控的動態自組裝之所以備受矚目，正是因為它在微觀結構精細控制上彌補了傳統技術的短板。那么它與其他方法相比有何異同？

一方面，與傳統自上而下工藝相比，電場組裝無需昂貴的模具或高精度儀器，在納微米尺度下游刃有余。

例如，要制造高透明的人造角膜，若用3D打印等方法很難打印出納米纖維的有序網絡，而電場組裝卻輕松實現了納米原纖的緊密排列。再比如，多孔/致密一體化的雙面膜用常規方法可能需要多步涂層或模板鑄造，而電場下通過調整沉積參數即可一步到位。可以說，在微結構的分辨率和可塑性上，電場組裝具有獨特優勢。

另一方面，相較于靜態的自下而上組裝，電場等外場驅動的方式引入了持續的能量供給，能夠打破熱力學平衡桎梏，引導更大尺度單元的有序排列。

傳統自組裝往往局限于納米尺度，而且容易陷入無序的熱力學平衡態，而電場等動態組裝則可將體系推向非平衡，使結構在更大尺度上保持有序。例如，膠原溶液中自行形成的纖維網絡雜亂無章，但在電場作用下則能快速生成均勻取向的納米纖維膜，再輔以機械拉伸和離子熟化等手段，更是將有序結構從納米拓展到了百微米級別。這在純粹靠分子自身隨機組裝的情況下是難以想象的成果。

當然，電場并非唯一可用的“場”。科學家已嘗試引入各種“場”調控來實現仿生組裝。

例如，有研究者利用蒸發誘導自組裝結合剪切力，構筑出了類似天然珍珠層的分層結構材料：材料內部柔韌如生物筋膜，表面卻硬如瓷釉，中間由梯度過渡層連接，從而把截然不同的機械性能融合在一體。

還有研究者采用磁場輔助組裝，讓涂有磁性納米顆粒的微米級氧化鋁薄片在液體中懸浮，通過磁場控制這些“小板磚”的取向，結果整個材料厚度方向上顆粒均呈各向異性排列，得到的復合材料在不同方向上展現出不同強度和韌性。

相比之下，磁場組裝需要材料具備磁性或引入磁性添加物，而電場對帶電的分子和粒子幾乎來者不拒，因此應用范圍更廣。此外還有利用光、聲、溫度梯度等場調控的方法，各展所長。

總的來看，這些新興技術仍處于實驗室階段，在工藝成熟度和可規模化方面相比電場技術略有不足。

不過，現在各種微觀結構制造技術雖欣欣向榮，卻都有各自尚待攻克的難關。

對于電場調控組裝而言，目前最大的挑戰之一在于深入理解并優化材料微結構對生物學效應的影響。換言之，可以利用電場搭建各種精巧結構，但這些結構如何與體內細胞和組織相互作用？怎樣的微觀設計才是促進再生、避免副作用的最佳方案？這些問題還有待進一步研究。

另一方面，從實驗室走向臨床仍有漫長的道路要走。目前許多炫目的微結構技術停留在論文和原型階段，能真正轉化為醫療產品的鳳毛麟角。唯有加強學科交叉、推進工藝標準化，才能讓這些新技術從“概念驗證”走向“大規模應用”，最終造福大眾健康。

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未來展望

仿生材料的微觀結構控制正進入一個令人激動的新時代。電場調控的動態自組裝技術展示了在分子層級編織生命之美的可能：或許可以為不同組織量身定制“智能”的支架材料，既具備所需的力學強度，又能向細胞發出恰到好處的生長信號。

未來，隨著人們對材料-細胞相互作用機制的深入研究，科學家將有能力設計出更精巧的微結構來精確調控細胞行為。在工程化方面，電場等場調控技術有望與先進的數字制造、自動化流水線結合，實現醫療植入物的批量化定制生產。

-本文刊載于《世界科學》雜志2025年第7期“今日啟明星”欄目，作者屈雪是華東理工大學材料科學與工程學院教授，焦蕓珂是華東理工大學材料科學與工程學院博士研究生-

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