作者:亚历克斯·杰勒格，西北大学 学分:西北大学 西北工程研究人员开发了一个理论模型来设计软材料，这些软材料展示了模拟生物功能的自主振荡特性
这项工作可以推进用于输送治疗药物的响应材料的设计，以及自动操作的机器人状软材料的设计
具有生物功能的材料的设计和合成需要结构形式和生理功能之间的微妙平衡
例如，在胚胎发育过程中，扁平的胚胎细胞片通过一系列褶皱变形为复杂的三维结构，如分支、管和沟
这些反过来又成为器官的动态三维构建模块，这些器官执行重要功能，如心跳、营养吸收或神经系统的信息处理
然而，这种形状形成过程是由化学和机械信号事件控制的，在微观水平上还没有完全理解
为了弥补这一差距，莫妮卡·奥维拉·德拉克鲁兹领导的研究人员设计了模拟这些生物相互作用的计算和实验系统
水凝胶是一类亲水性聚合物材料，已经成为能够在自然界观察到的化学和机械刺激下再现形状变化的候选材料
研究人员开发了一种基于水凝胶的壳的理论模型，该壳在化学反应的诱导下会发生自主的形态变化
麦考密克工程学院材料科学与工程泰勒教授律师德拉·克鲁兹说:“我们发现，化学物质改变了局部凝胶微环境，允许材料通过化学机械应力以自主方式膨胀和膨胀。”
这产生了动态的形态变化，包括生命系统中心跳的周期性振荡
" 一篇题为“自激振荡弹性壳中化学控制模式的形成”的论文于3月1日发表在《PNAS》杂志上
李斯羽和丹尼尔·马托斯-费尔南德斯是该论文的第一作者，他们是奥尔维拉·德拉克鲁兹实验室的博士后研究员
在这项研究中，研究人员设计了一种化学感应聚合物外壳，用来模拟生物
他们将水凝胶外壳的水基机械特性应用于一种化学物质，这种化学物质在外壳内产生特定的模式行为——在这种情况下，类似波浪的振动
在进行了一系列的还原-氧化反应(一种在两种化学物质之间传递电子的化学反应)之后，壳层产生了能够膨胀或收缩的微腔室，或者在引入机械不稳定性时诱发屈曲-解屈曲行为
“我们将水凝胶的机械响应与凝胶中化学物质浓度的变化耦合成一个反馈回路，”马托斯-费尔南德斯说
“如果化学物质的含量超过某个阈值，水就会被吸收，使凝胶膨胀
当凝胶膨胀时，化学物质被稀释，引发化学过程，排出凝胶中的水，从而使凝胶收缩
" 研究人员的模型可以用作开发其他软材料的基础，这些软材料展示了不同的、动态的形态变化
这可能会导致新的药物输送策略，采用能够提高分隔化学品扩散速率或以特定速率释放货物的材料
“原则上，人们可以设计出可以膨胀和收缩的催化微室，以特定的频率吸收或释放成分
这可能导致更有针对性的，基于时间的治疗方法来治疗疾病，”李说
这项工作还可以为未来自主操作的具有类似机器人功能的软材料的发展提供参考
这些“软机器人”已经成为支持化学生产、环境技术工具或医学智能生物材料的候选者
然而，这些材料依赖外部刺激，如光来发挥作用
“我们的材料是自主运作的，所以不涉及外部控制，”李说
“通过化学反应‘戳’贝壳，你触发了运动
" 研究人员计划以他们的发现为基础，进一步缩小自然界和科学实验室之间的差距
奥尔维拉·德拉·克鲁兹说:“我们的长期目标是创造出自主水凝胶，这种水凝胶能够执行由线索触发的复杂功能，就像局部机械变形一样简单。”
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