生物的形态变化无处不在，从向日葵的向光弯曲到组织器官的生长塑形，其背后是活性物质的持续生成与有序分布。这些活性物质通过扩散、反应及反馈，在数秒至数周的时间里完成形态转变。然而，传统刺激响应高分子材料主要依赖分子化学键改变形态，难以复现生物活性物质的跨时间尺度形态变化，严重制约了其在医学场景中的应用。

9月4日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）生物医学与健康工程研究所、医学成像科学与技术系统全国重点实验室杜学敏研究员等，在形态演化水凝胶方向取得了重要研究进展，相关成果以"Self-sustaining reactive species program morphological evolution across timescales in hydrogels"为题，发表在国际权威材料期刊Matter上。

研究团队研发了一类具有时空演化特征的活性物质系统——STERS（Spatiotemporally evolving reactive species），可让水凝胶按照设定，在微观至宏观层面、数分钟至数周时间里，实现单次至多次循环的形态变化。

STERS系统（图2）由三个核心要素构成：（1）液态金属颗粒（LMPs），用于持续产生活性物质——自由基与镓离子；（2）经典乙烯基单体（丙烯酰胺与丙烯酸），可与LMPs氧化层反应并参与聚合；（3）近红外光（NIR），用于构建活性物质的时空梯度。

研究团队发现，光照前，液态金属颗粒就会和单体溶液发生反应，产出自由基、镓离子，引发化学反应，慢慢形成水凝胶。 当使用近红外光照射后，液态金属颗粒会产生光热效果，进一步加速活性物质生成。在凝胶被照射和没被照射的区域、凝胶上下表面之间，形成活性物质浓度梯度。通过调节液态金属颗粒浓度、单体比例或光照时间，可精确调控水凝胶薄膜的形态演化时间及演化次数。

研究团队进一步将该形态变化水凝胶体系拓展至生物医学领域应用（图3）。微观层面，利用水凝胶集成的微结构动态演化平台，在数天内诱导间充质干细胞向成骨或神经样定向分化；在宏观层面，构建水凝胶集成的形态演化电极，使其能够在数周内动态适配大鼠生长过程中脑表面的形态变化，并实现脑电图信号的连续监测，从而解决了传统固定形态电极难以匹配动态生长组织表面的核心技术难题。该研究为解决传统材料与器件难以匹配特定生物学时间尺度的问题提供了新策略。

深圳先进院杜学敏研究员为该论文的通讯作者，聂明哲博士为第一作者。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院青年创新促进会、深圳市医学研究专项、深圳市基础研究计划等科技项目支持。

原文链接

STERS设计与程控凝胶化原理及NIR光调控活性物质的时空动力学

形态演化水凝胶在数天内诱导干细胞分化及数周内动态适配脑机接口应用