仿生水下机械粘附系统（MUSAS）的研发及其在生物传感与药物递送中的应用

这篇综述介绍了受鮣鱼启发的机械水下粘附系统（MUSAS），该系统能在极端pH和湿度条件下稳定粘附于多种软基质，并展示了其在生物传感（如无线温度监测）和药物递送（如HIV PrEP长效制剂和mRNA胃肠道递送）中的突破性应用。

　　

仿生水下机械粘附系统（MUSAS）的研发

摘要
长期在水下动态、再生性软基质（如胃肠道）上实现稳定粘附是医疗、制造和海洋领域的重大挑战。受鮣鱼（Echeneidae）粘附盘的启发，研究团队开发了机械水下软粘附系统（MUSAS）。该系统通过多室吸附和机械互锁机制，在极端环境（pH 1-14）中粘附力达自重1,391倍，并成功应用于无线温度传感、胃食管反流监测、长效抗HIV药物递送和mRNA胃肠道递送。

鮣鱼粘附机制解析

鮣鱼粘附多样性
研究比较了9种鮣鱼的粘附盘解剖结构，发现宿主特异性适应特征：专一宿主的物种（如附着于鲸类的R. australis）具有单峰平行排列的薄片，而广宿主物种（如P. lineatus）则呈现双峰角度分布。宿主组织刚度差异显著（射线皮肤11 Pa，鲨鱼1 MPa），揭示了薄片角度多样性与宿主运动速度和基质硬度的相关性。

软基质粘附策略
活体实验显示，鮣鱼在软基质（如猪胃组织）上通过完全展开粘附盘并竖起薄片实现多室吸附，而在硬基质上依赖滑动摩擦。力学测试证实，软硬基质的粘附力相当（剪切力3.5 N），但软基质因动态形变需依赖多室平衡和机械互锁补偿局部失效。

MUSAS的设计与优化

仿生结构设计
通过有限元分析对比三种盘结构（整体式、折叠多室、展开多室），发现展开多室设计能排出最多水分，形成负压吸附。MUSAS采用形状记忆合金（SMA）薄片（模仿R. albescens的倾斜角度）和不锈钢骨架，压缩后可装入000号胶囊（26×9.5 mm），体温触发薄片展开实现互锁。

关键组件验证
实验表明：

1. 2.0倍软唇厚度比最大化粘附力/重量比；
2. 骨架和平滑唇边缘显著提升粘附（P<0.0001）；
3. 倾斜八排薄片设计在软基质上粘附最优，平行设计则抗剪切滑动（滑动距离>2倍薄片长度）。

应用验证与突破

跨场景应用

1. 水生生物监测：搭载无电池RFID温度传感器的MUSAS在罗非鱼体表粘附110小时，实时监测游泳状态下的温度变化；
2. 胃食管反流监测：阻抗传感器通过食管收缩自粘附，精准检测反流事件（灵敏度较传统Bravo胶囊提升2倍）；
3. HIV预防：PCL/Ecoflex载药系统在猪模型实现7天缓释卡博特韦（CAB），血浆浓度超治疗阈值；
4. mRNA递送：冻存脂质纳米粒（LNP）通过MUSAS穿透猪口腔黏膜，荧光免疫组化证实荧光素酶蛋白高效表达。

未来方向
MUSAS的硅橡胶基底为集成声学/压力传感器提供可能，而黏液仿生涂层可增强密封性。尽管微米级组织穿透限制其在血管等场景的应用，但其突破黏膜屏障的能力为mRNA疫苗和基因治疗开辟了新途径。

（注：全文数据基于58头猪和8条鱼的实验验证，所有结论均引用原文图表及方法学描述）