聚丙烯酸類高分子遇水之后體積能膨脹成百上千倍，常用作具有超強吸水能力的材料，這種材料典型的應用場景是——尿不濕。
尿不濕吸水實驗。圖片來源于網絡
今天要介紹的凝膠“大神”玩家，正是將這種常見、廉價的高分子材料與水的相互作用發揮到了極致，無論吸水溶脹還是脫水收縮，都挖掘出了令人意想不到的應用，順便收獲兩篇Science。他就是美國麻省理工學院（MIT）的Edward S. Boyden教授，一位生物工程和神經科學領域的專家。
Edward S. Boyden教授。圖片來源：MIT [1]
心里是不是有疑問——凝膠“大神”玩家，應該是個高分子化學家或者材料學家啊，怎么會來自生命科學領域呢？事情要從三年多前的一篇Science 說起。
凝膠溶脹與膨脹顯微鏡
Boyden教授實驗室長期進行神經科學領域的研究，需要對細胞和神經組織進行顯微觀察。光學顯微鏡由于光源波長的限制，分辨率存在極限，約為200納米左右。盡管目前市面上已經存在分辨率在250納米左右的超分辨率光學顯微鏡，但這個分辨率對于生命科學的研究來說還不夠，而且這種顯微鏡要求又小又薄的樣品，對于較大的生物學樣品成像需要花費很多時間，最重要的是，這種精密儀器很！貴！不是每個實驗室都能輕松擁有。
怎么辦呢？一些科學家想到把電子顯微鏡引入生命科學的研究，這也就有了近年來火熱并且獲得2017年諾貝爾化學獎表彰的“冷凍電鏡”。盡管冷凍電鏡能把分辨率降低到亞納米級，但很多生物學樣品無法通過冷凍電鏡技術來觀察，而且冷凍電鏡也非！常！貴！
與發展更大更強的顯微鏡技術這條路不同，Boyden教授課題組走了另一條路——把樣品撐的更大。如果一個東西太小了看不清，把它撐大一點不就能看得清了？而把樣品撐大的關鍵就是吸水能力超強的聚丙烯酸類凝膠。2015年，他們在Science上發表了一篇標題僅有兩個單詞的論文“Expansion microscopy”（Science,2015, 347, 543），向世人展示了這種充滿想象力的技術，筆者姑且稱之為“膨脹顯微鏡”。
膨脹顯微鏡使用吸水凝膠（A i→ii）撐大樣品（B→C）。圖片來源：Science
簡單介紹下膨脹顯微鏡的原理。在撐大樣品之前，研究者首先使用抗體（下圖F“一抗”）識別樣品中的目標細胞成分或蛋白質，并且在該抗體上通過二抗和互補寡核苷酸（下圖F）連接熒光染料以及可參與后續自由基聚合反應的甲基丙烯酰氧“錨點”基團。隨后加入單體、交聯劑等，再引發單體的聚合形成聚丙烯酸凝膠。然后加入蛋白酶水解樣品中那些阻止或者影響凝膠吸水均勻膨脹的蛋白質（不影響目標蛋白質），再加入水使得凝膠吸水膨脹，體積增大100倍，把樣品撐大。由于“錨點”基團的存在，目標蛋白質被固定在聚丙烯酸鏈上（下圖F），這就保證了凝膠膨脹過程中目標蛋白質相對于組織樣品的整體結構來說相對位置保持相同。
膨脹顯微鏡中對于目標蛋白質的標記。圖片來源：Science
膨脹顯微鏡技術可以讓人們用常規的光學顯微鏡來快速觀察較大生物樣品中一些原本無法分辨的結構，無需特殊熒光染料，也不用特殊的光源。作為例證，他們使用傳統的共聚焦顯微鏡，對約107立方微米的小鼠海馬組織樣品進行三色超分辨率成像，以約70納米的分辨率獲得了細胞和腦組織的結構圖像。
基于膨脹顯微鏡技術的小鼠腦組織3D超分辨率顯微圖像。圖片來源：Science
這三年來，膨脹顯微鏡技術也不斷發展。比如，多次重復上述過程，分辨率（擴展的倍數）得以進一步提高；應用范圍也從蛋白質擴大到其他重要的生物分子，例如RNA和DNA。
凝膠收縮與3D納米制造
武林高手講究收放自如，只能放，不能收，顯然不是高手。
Boyden教授顯然深諳此中道理，他們最近用與凝膠吸水溶脹相反的現象——脫水收縮——又發了一篇Science，報道了一種稱為“內壓制造”（Implosion fabrication）的新技術，為納米尺度加工提供了一個嶄新的思路。簡單的說，聚丙烯酸凝膠遇水能膨脹，那脫水之后體積不就收縮了嘛。先在已經充分吸水的聚丙烯酸水凝膠中制備個稍大的3D結構，然后脫水，過程中控制由外向內的壓力就能將3D結構縮小到納米級。
操作的方法包括以下幾步：（1）讓帶有反應基團（R，下圖A）的熒光素分子擴散到膨脹的聚丙烯酸水凝膠中，按照預定3D圖案對熒光素進行雙光子激發，使其與聚丙烯酸水凝膠反應，固定在水凝膠的特定位置上作為錨定位點；（2）基于3D圖案化的反應基團，將用于納米加工的物質（例如金納米顆粒、量子點、DNA等等）沉積到水凝膠中（下圖B），得到官能化的水凝膠；（3）如有需要，還可繼續沉積其他物質（下圖C）；4）用二價陽離子或酸（以及干燥）讓水凝膠脫水，在每個方向上都收縮到原來的1/20至1/10（下圖D），體積就可縮小至原來的數千分之一，達到納米級。
內壓制造技術的四個主要步驟。圖片來源：Science
納米加工技術不得不提的參數是加工線寬。在目前的內壓制造中，最小加工尺寸約為60納米，這種尺度下的金屬納米材料在納米光學中非常重要。經過嘗試摸索，作者發現可以在最初引入的金納米顆粒上沉積銀，后續用低劑量的曝光就能讓銀燒結得到高導電性且結構可設計的3D納米材料。相比之下，目前的納米加工技術多適用于2D及2.5D結構，或者僅能制備簡單的3D結構，內壓制造技術無疑提供了一種更普適更簡便的3D納米加工技術。
基于內壓制造獲得的3D金屬納米材料。圖片來源：Science
能大能小，Boyden對于凝膠的靈活應用堪稱一絕，MIT官網新聞報道中也戲稱這個技術讓人聯想到了漫威英雄“蟻人”那套能大能小的神奇“戰衣”。[2]
最后再來膜拜一下Boyden“大神”。Edward S. Boyden出生于1975年，而早在2005年就和Karl Deisseroth教授一起報道了后來被廣泛使用的“光遺傳學”技術，并由此獲獎無數；在MIT開展自己的工作后也推出了許多讓人耳目一新的技術，包括前面的膨脹顯微鏡。不知這次涉足3D納米制造之后，Boyden教授未來還能帶來什么樣的驚喜，筆者翹首以待。
參考資料：
1.http://news.mit.edu/2015/enlarged-brain-samples-easier-to-image-0115
2.http://news.mit.edu/2018/shrink-any-object-nanoscale-1213
