自动长骨头？

受骨骼骨骼生长的启发，瑞典林雪平大学和日本冈山大学的研究人员开发了一种材料组合，可以在硬化前变形成各种形状。这种材料最初是软的，但后来通过骨骼发育过程，使用骨骼中发现的相同材料而变硬。

　　

   

   

黑色材料是一种电活性聚合物，当研究人员施加低电压时，其体积会发生变化，这使得这个简单的“微型机器人”弯曲。在材料的另一边，你可以看到凝胶，研究人员将生物分子附着在上面，使软凝胶材料像骨头一样变硬。

受骨骼骨骼生长的启发，瑞典Linköping大学和日本冈山大学的研究人员开发了一种材料组合，可以在硬化前变形成各种形状。这种材料最初是软的，但后来通过骨骼发育过程，使用骨骼中发现的相同材料而变硬。

当我们出生时，我们的头骨上有缝隙，这些缝隙被称为囟门的软结缔组织所覆盖。多亏了囟门，我们的头骨在出生时可以变形，并顺利通过产道。出生后，囟门组织逐渐变成硬骨。现在，研究人员已经将类似这种自然过程的材料组合在一起。

“我们希望将此应用于需要在不同时间点具有不同性能的材料。首先，这种材料柔软而有弹性，当它变硬时，它就会被锁住。例如，这种材料可以用于复杂的骨折。它也可以用于微型机器人——这些软微型机器人可以通过一个很薄的注射器注射到身体里，然后它们将展开并发育出自己的刚性骨骼。”Linköping大学物理、化学和生物学系副教授埃德温·耶格尔说。

这个想法是在材料科学家埃德温·耶格尔(Edwin Jager)在日本进行研究访问时产生的，当时他遇到了从事骨骼研究的Hiroshi Kamioka和Emilio Hara。日本研究人员发现了一种能在短时间内刺激骨骼生长的生物分子。是否有可能将这种生物分子与Jager的材料研究结合起来，开发出可变刚度的新材料?

在随后发表在《先进材料》杂志上的研究中，研究人员构建了一种简单的“微型机器人”，它可以呈现不同的形状，并改变刚度。研究人员从一种叫做海藻酸盐的凝胶材料开始。在凝胶的一边生长着一种聚合物材料。这种材料是电活性的，当施加低电压时，它会改变体积，导致微型机器人向指定的方向弯曲。在凝胶的另一边，研究人员附着生物分子，使软凝胶材料变硬。这些生物分子是从一种对骨骼发育很重要的细胞的细胞膜中提取出来的。当这种材料浸入细胞培养基(一种类似人体的环境，含有钙和磷)时，生物分子会使凝胶矿化并像骨头一样硬化。

研究人员感兴趣的一个潜在应用是骨愈合。他们的想法是，这种由电活性聚合物驱动的软材料，将能够在复杂的骨折中操纵自己进入空间并扩张。当材料硬化后，就可以为新骨的构建奠定基础。在他们的研究中，研究人员证明，这种材料可以将自己包裹在鸡骨头上，随后产生的人造骨头会与鸡骨头一起生长。

通过在凝胶中制作图案，研究人员可以确定这个简单的微型机器人在施加电压时将如何弯曲。材料表面的垂直线使机器人弯曲成半圆，而对角线使机器人弯曲成螺旋状。

“通过控制材料如何转动，我们可以让微型机器人以不同的方式移动，也可以影响材料在骨折中如何展开。我们可以将这些动作嵌入到材料的结构中，使得控制这些机器人的复杂程序变得不必要，”Edwin Jager说。

为了更多地了解这种材料组合的生物相容性，研究人员现在正在进一步研究其特性是如何与活细胞一起工作的。

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杂志

Advanced Materials

DOI

10.1002/adma.202107345