仿生材料的微观结构控制正进入一个令人激动的新时代︱启明星之声

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启明星之声

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01 微观结构的重要意义

为什么我们的眼角膜晶莹剔透，而紧邻的巩膜却呈不透明的白色？这是因为，虽然它们的主要成分都是胶原蛋白，但其内部微观纤维排列方式截然不同，所以角膜高度透明而巩膜则呈现白色。类似地，平行排列的纤维赋予肌腱和肌肉强大的力学性能，而交错排列的纤维让皮肤柔软并富有弹性。

由此可见，生物组织的性能很大程度上来源于其微观结构的精巧设计（图1）。微米乃至纳米尺度上的微观结构排列，往往决定了材料的宏观性能和功能。

图1 胶原蛋白在不同组织器官中的微观结构

对于生物材料而言，微观结构不仅影响材料本身的物理性质，还会通过提供特殊的表面形貌来调控细胞的行为。科学家发现，细胞对和自身尺寸相近的微观结构极为敏感，会因为支架材料表面的细微花纹而“改邪归正”或“奋发图强”。

比如，相较于笔直的纤维，微微弯曲的纤维可以使细胞在附着时拉出“细胞桥”，从而改变细胞内部受力状态，促进干细胞分化为成骨细胞。

再比如，在材料表面刻出宽度仅800纳米的平行沟槽，就能显著提高细胞的迁移速度，加速小鼠骨缺损的愈合；而略宽一些的微米级沟槽则通过空间约束作用，能显著提高神经轴突的生长速度和定向性。

由此可见，材料的微观形貌和结构能在不经意间影响细胞命运，而这正是生物材料设计中不可忽视的一环。

那么，我们能否像搭乐高积木一样，自主搭建出具有特定微观结构的生物材料，从而赋予其所需的性能和功能呢？现实中这绝非易事。传统的两大类制造策略——“自上而下”和“自下而上”——各有局限，很难精确还原大自然在微观尺度上的巧夺天工。但也正因如此，新兴组装制造技术正在不断涌现。

02 微观结构制造的挑战

自上而下的方法包括模板铸造、蚀刻、微流控以及3D打印等，它们擅长从宏观形状入手进行加工。以3D打印为例，尽管如今能打印各种生物材料，但受制于打印喷嘴和墨滴尺寸，分辨率通常在几十微米到数百微米之间。要在亚微米乃至纳米尺度上雕琢内部结构，自上而下的方法往往有心无力。

目前这类技术在微纳米颗粒等有限场景有一定成功案例，如微流控制造的纳米颗粒，但总体而言，要在宏观结构内控制形成更精细的微观结构依然存在挑战。

自下而上的方法则从分子或纳米级单元出发构筑材料，比如分子自组装和化学合成。某些高分子能够在特定条件下自发组装形成球形、蠕虫状或囊泡状的纳米结构，两亲分子（亲水/亲油两端）也能组装出胶束、纳米带、网络水凝胶等尺寸为几十到几百纳米的结构。在体外，I型胶原蛋白溶液升温后甚至会自行组装成纤维网络，增强细胞的增殖和信号传导。

然而，这些自下而上的成果大多停留在纳米尺度，并且通常是随机取向、无特定次级结构的“团簇”，很难进一步扩展到更高层级的有序结构。例如，胶原在体外自发形成的纤维只是杂乱无章地交织成网，远不如肌腱、角膜等组织那样高度定向排列，因此难以赋予材料相应的力学和光学性能。

总的来说，无论自上而下还是自下而上，当前技术在微观尺度的结构控制方面都捉襟见肘。

面对这一难题，科学家开始从大自然取经，尝试“动态自组装”的策略，即在自组装过程中加入“外力”，有目的地引导材料从微观到宏观，逐步形成有序结构。

事实上，生命体本身就擅长借助外力来塑形。例如，有的细菌群体通过高速游动搅动周围液体，当达到足够浓度时便能自发形成规则的二维晶体结构。再如，当细胞生存在拥挤的细胞外基质环境中，这里的胶原分子因为受到空间约束，反而更容易整齐地排列成有序纤维。其中，电场是生命体中重要的“隐形之手”——在组织发育和愈合中，生物电信号调控着相关细胞行为，体内的电场影响着带电生物大分子的分布，营造出有利于细胞生长的微环境。

既然如此，研究者不禁想到：能否在体外利用电场这只巧手来指导生物大分子的组装，打造出仿生的微观结构？

03 电场调控的动态自组装技术

电场驱动的自组装，通俗地讲就是利用电场在分子层面进行排兵布阵。其核心方法是通过电极施加特定的电信号，使得溶液中带正电荷的天然大分子（如壳聚糖、胶原蛋白等）被吸引到带负极性的阴极上富集，并利用电极表面产生的局部化学变化诱导它们发生定向组装（图2）。

具体来说，当电极通电时，阴极表面发生水解析出OH-离子，造成局部pH升高，在一定范围里形成pH梯度。带正电的生物大分子在电场力作用下朝阴极电泳迁移，当它们来到阴极表面时，周围的碱性环境使其电荷中和、溶解度降低，从而在电极上沉积、组装为水凝胶状的固体结构。通过精巧设计电流强度、信号模式等参数，该技术可以像指挥交通一样控制分子何时何地“扎堆”，由此打造出所需的微观结构。

图2 电场调控的动态自组装原理

电场调控自组装在胶原蛋白材料上展现出令人惊喜的效果。

研究人员将酸性溶液中的胶原分子置于恒定电流场中，仅用15分钟便在阴极表面沉积出一层厚约0.5毫米的胶原水凝胶膜。这层通过电场“速成”的胶原膜在干燥后依然透明澄澈，如同隐形眼镜一般。相比之下，传统方法自发形成的同等厚度胶原水凝胶由于纤维散射光线，干燥后呈乳白色不透明。

经显微分析发现，电场组装所得的胶原膜内部由直径仅10纳米左右的极细胶原原纤维紧密排列构成，而常规方法得到的胶原则形成了直径数微米的粗大纤维且杂乱分布。纤维越细越紧密，材料就越透明——这正是电场赋予胶原膜高透光性的秘诀。

由于这些纳米级原纤仅通过氢键等弱相互作用粘连，整个胶原网络呈现一种“熔融微纤维态”：质地柔软、高度可塑，受到外力作用时，会像橡皮泥一样在内部发生重排而不会立刻断裂。将这种胶原膜定向牵拉后，原本无序的纳米纤维形成了方向一致的平行排列，初步具备了肌腱纤维束的雏形。

04 场驱动组装与其他技术的对比

电场调控的动态自组装之所以备受瞩目，正是因为它在微观结构精细控制上弥补了传统技术的短板。那么它与其他方法相比有何异同？

一方面，与传统自上而下工艺相比，电场组装无需昂贵的模具或高精度仪器，在纳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打印等方法很难打印出纳米纤维的有序网络，而电场组装却轻松实现了纳米原纤的紧密排列。再比如，多孔/致密一体化的双面膜用常规方法可能需要多步涂层或模板铸造，而电场下通过调整沉积参数即可一步到位。可以说，在微结构的分辨率和可塑性上，电场组装具有独特优势。

另一方面，相较于静态的自下而上组装，电场等外场驱动的方式引入了持续的能量供给，能够打破热力学平衡桎梏，引导更大尺度单元的有序排列。

传统自组装往往局限于纳米尺度，而且容易陷入无序的热力学平衡态，而电场等动态组装则可将体系推向非平衡，使结构在更大尺度上保持有序。例如，胶原溶液中自行形成的纤维网络杂乱无章，但在电场作用下则能快速生成均匀取向的纳米纤维膜，再辅以机械拉伸和离子熟化等手段，更是将有序结构从纳米拓展到了百微米级别。这在纯粹靠分子自身随机组装的情况下是难以想象的成果。

当然，电场并非唯一可用的“场”。科学家已尝试引入各种“场”调控来实现仿生组装。

例如，有研究者利用蒸发诱导自组装结合剪切力，构筑出了类似天然珍珠层的分层结构材料：材料内部柔韧如生物筋膜，表面却硬如瓷釉，中间由梯度过渡层连接，从而把截然不同的机械性能融合在一体。

还有研究者采用磁场辅助组装，让涂有磁性纳米颗粒的微米级氧化铝薄片在液体中悬浮，通过磁场控制这些“小板砖”的取向，结果整个材料厚度方向上颗粒均呈各向异性排列，得到的复合材料在不同方向上展现出不同强度和韧性。

相比之下，磁场组装需要材料具备磁性或引入磁性添加物，而电场对带电的分子和粒子几乎来者不拒，因此应用范围更广。此外还有利用光、声、温度梯度等场调控的方法，各展所长。

总的来看，这些新兴技术仍处于实验室阶段，在工艺成熟度和可规模化方面相比电场技术略有不足。

不过，现在各种微观结构制造技术虽欣欣向荣，却都有各自尚待攻克的难关。

对于电场调控组装而言，目前最大的挑战之一在于深入理解并优化材料微结构对生物学效应的影响。换言之，可以利用电场搭建各种精巧结构，但这些结构如何与体内细胞和组织相互作用？怎样的微观设计才是促进再生、避免副作用的最佳方案？这些问题还有待进一步研究。

另一方面，从实验室走向临床仍有漫长的道路要走。目前许多炫目的微结构技术停留在论文和原型阶段，能真正转化为医疗产品的凤毛麟角。唯有加强学科交叉、推进工艺标准化，才能让这些新技术从“概念验证”走向“大规模应用”，最终造福大众健康。

05 未来展望

仿生材料的微观结构控制正进入一个令人激动的新时代。电场调控的动态自组装技术展示了在分子层级编织生命之美的可能：或许可以为不同组织量身定制“智能”的支架材料，既具备所需的力学强度，又能向细胞发出恰到好处的生长信号。

未来，随着人们对材料-细胞相互作用机制的深入研究，科学家将有能力设计出更精巧的微结构来精确调控细胞行为。在工程化方面，电场等场调控技术有望与先进的数字制造、自动化流水线结合，实现医疗植入物的批量化定制生产。

-本文刊载于《世界科学》杂志2025年第7期“今日启明星”栏目，作者屈雪是华东理工大学材料科学与工程学院教授，焦芸珂是华东理工大学材料科学与工程学院博士研究生-

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