生命是大自然的饋贈和數億年進化的結果，生物組織擁有近乎完美的特性以至可實現各種復雜的生理功能。幾個世紀以來，人類從未停止過對生命的探索與模仿，特別是在構筑仿生組織方面付出了巨大努力。時至今日，科研人員在利用活的胚胎干細胞培養生物組織方面取得了可喜進展；同時，一些劃時代的發現也相繼被報道，如利用無機物和有機物自下而上合成人工細胞、從液態金屬出發實現類生命行為、研發可編程自我復制的活細胞機器人等。這些工作在促進人們認知物質與生命間奇妙關系的同時，也為開發人工生物組織提供了重大啟示。然而，由于生命體系自身擁有的一個最為基礎的內在屬性，即生物節律性，以及未被充分揭示的內部液相環境參與機制，業界在研發類生命組織行為的功能物質方面始終面臨嚴峻挑戰，可以說生物組織一直被模仿，但從未被超越。
圖1. 類生物組織和器官的節律性水相液態金屬物質示意
近日，來自清華大學與中國科學院理化技術研究所的聯合研究小組首次創制出一種水相液態金屬物質，展示了一系列獨特的類生物組織與器官節律行為，文章提出利用兩種液態物質：水和自下而上組裝的液態金屬，構筑節律性仿生組織和器官的策略(圖1)。通過引入超聲原位還原和電化學燒結協同機制，作者們制備出水相液態金屬物質(Hydrous Liquid-Metal Agglomerates, HLMAs)，由此組裝成形的集合體在其類“細胞”生長、漂浮、節律性收縮和舒張過程中均可保持結構化特征，如同經典科學著作中所描述過的那種“缸中大腦”的生理學場景。此類物質工作的核心工作機理在于，利用電場觸發的可逆氧化還原“點燃”HLMAs的類生物節律性，在該過程中，HLMAs不僅發生了物質組成與架構、物性節律性變化，同時還伴隨著節律性收縮和舒張，類似生物組織與器官進行心臟跳動、肺泡呼吸等。研究揭示了HLMAs節律過程物質變化、能量轉換和信息傳遞三者間的協同機制，證實了液態物質因其高時空維度屬性以及液相特征在構筑生物節律方面獨特的優勢。此項研究為人工生物組織提供了全新的物質基礎，也為利用非生命物質構筑生物節律行為提供了典型范例。該工作以“Biotissue like rhythmic hydrous liquid-metal agglomerates”為題發表在《Matter》上(Matter, 2023, doi: 10.1016/j.matt.2023.06.042)。文章第一作者是清華大學醫學院博士后高建業博士，通訊作者為劉靜教授。該研究得到國家自然科學基金委以及中國科學院前沿項目的支持。
由于液態金屬與水并不相溶，且二者密度和表面張力均存在較大的差異，直接制備HLMAs極具挑戰。為此，作者提出了一種非常規的制備策略，基本原理包括：(1) 自下而上組裝液態金屬，平衡其與水之間的固有屬性差異(圖2A i)；(2) 基于液態金屬與溶液自發的化學反應制備結構化的含水液態金屬(圖2A ii)；(3) 含水液態金屬在金屬鍵強相互作用下形成組裝體(圖2A iii)；(4) 將該組裝體制備成多種類生物組織或器官結構并為其構筑生物節律體系(圖2A iv)。其中，液態金屬自下而上組裝至為關鍵，該環節主要解決兩個難題，其一是將水帶入液態金屬，其二是維持成型后HLMAs的結構化特征。作者采用超聲原位還原與電化學燒結協同機制實現了液態金屬自下而上的組裝。具體地，首先，在堿性溶液中同時超聲液態金屬與氧化銅(CuO)納米顆粒，利用超聲將液態金屬分散為納米顆粒，增大其與CuO顆粒間的反應比表面積(圖2B i)。二者接觸后發生原位置換反應(圖2B ii, 圖2C)，該過程促使在液態金屬納米顆粒中產生諸多原電池單元，在原電池放電作用下，反應產物被燒結在一起，并在溶液中形成豐富的微/納米團簇(圖2B iii)。然后，在超聲作用下，這些微/納米團簇部分作為良好的蓄水體，將水帶進液態金屬內部，部分則聚集在液態金屬周圍(圖2B iv, 圖2D)。最后，隨著微/納米團簇蓄水體的進入，液態金屬內部逐漸發生原電池發泡反應，直至含水液態金屬完全漂浮在溶液中，至此完成HLMAs的制備。HLMAs內部分散的孔隙結構(圖2D ii)便是水溶液被成功帶進液態金屬強有力的證據。上述自下而上組裝的HLMAs可以通過提供不同的金屬氧化物、溶液環境、反應物比例、溫度、液態金屬種類進行定制，用以制備多樣化的類生物組織或器官。
圖2. 水相液態金屬物質制備示意、協同機制和結構特征
研究發現，HLMAs成型的關鍵在于其內部“骨架”和表面“囊泡膜”由許多方形微晶體(金屬間化合物CuGa2)分散在液態金屬中形成，受益于金屬間化合物CuGa2與液態金屬間良好的浸潤性，HLMAs“柔而不散”。
圖3. 水相液態金屬物質微觀結構組成及材料表征
HLMAs的節律性首先體現在物質架構與物性的節律性變化上。基于液態金屬的可逆型氧化還原特性(圖4 B)，作者施加交變生物電信號引發HLMAs物質的動態節律性變化，該過程不僅涉及液態金屬的周期性電化學氧化還原反應，還包含界面電雙層改變以及溶液中離子定向遷移等復雜過程，圖4 A以施加交變正弦電信號誘發氧化還原過程為示例，闡述了HLMAs物質節律變化的機制。研究發現伴隨著物質的節律性變化，HLMAs的電導率等物性亦展現出節律性變化(圖4C)，且節律頻率與施加信號保持一致。在3600次物質節律變化過程中，HLMAs的電阻變化率(ΔR/R0)逐漸有增加(圖4D)，表現出類生物組織“老化”行為，這是由準可逆氧化還原特性誘導的氧化積累造成的，溶液中逐漸增加的Ga3+印證了這一觀點(圖4E)。
圖4. 水相液態金屬物質與物性的節律性變化
上述策略通過引入可逆性氧化還原反應成功實現了HLMAs物質、物性的動態節律變化。進一步地，作者還揭示了HLMAs在生物電信號刺激下的節律性收縮和舒張行為，該過程類似于心肌組織在電信號刺激下引發的心臟收縮和舒張節律(圖5A)。此外，HLMAs的節律性收縮和舒張伴隨著液態金屬的擠出與回流 (圖5B)。理論上，在HLMAs內部的液態金屬運動主要受表面張力Fsy、自身重力G和浮力Fb控制。在施加生物電信號前，這三種力保持平衡(圖5B i)。然而，一旦施加生物電信號，液態金屬的表面張力迅速變化，打破了上述平衡，導致HLMAs內部液態金屬呈周期性擠出和回流。該過程涉及表面能和重力勢能之間的節律性轉換。通過實時追蹤HLMAs收縮和舒張過程，作者成功刻畫了HLMAs中液態金屬的位移和速度 (圖5C)。研究發現液態金屬的擠出位移可表述為施加電信號的積分函數
，而其擠出速度則與施加電信號呈高度相關性
。然而，液態金屬的回流過程則是在短時內迅速完成，其速度曲線周期性呈現尖峰，這是表面張力在電化學還原和化學溶解的協同作用下迅速恢復所致。有趣的是，在心電信號的刺激下，HLMAs擠出與回流的速度呈現出全新的同頻“類心電”信號(圖5D-F)。這種以高時空維度屬性的液態物質為信息載體，基于已知信號產生新信號的策略，或將推動人工智能取得新突破。
圖5. 水相液態金屬物質節律性收縮與舒張行為
總的說來，通過引入自下而上組裝成的液態金屬集合體和水兩種典型液相物質，作者們創造出了節律性的類生物組織和器官。在液態金屬組裝過程中，基于超聲原位置換和電化學燒結的協同機制促使金屬間化合物和微/納米團簇蓄水體的生成，由此將水溶液成功彌散于整個液態金屬區域。受益于金屬間化合物與液態金屬間的強相互作用，HLMAs在其生長、漂浮和節律性收縮/舒張過程中，均可保持“柔而不散”的結構特征。作者以輸入周期性生物電信號為切入點，引入可逆氧化還原過程，成功“點燃”了HLMAs在物質、物性、收縮和舒張行為等方面的節律行為。研究證實了高時空維度屬性的液態物質在構建生物節律方面的可行性和便捷性，或將幫助人們進一步理解液相環境在仿生節律行為中的重要作用。此外，研究還揭示了HLMAs類生物組織在物質變化、能量轉換和信息傳遞方面的節律協同作用。可以看到，節律性HLMAs的問世，或為模仿甚至超越生物組織提供新的研究范式，未來更多的材料組合、裝配結構和仿生行為可沿此方向擴展，該工作也為基于液相物質開發柔性機器人以及人工智能體等提供了全新的物質基礎。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.06.042
