聚丙烯酸类高分子遇水之后体积能膨胀成百上千倍，常用作具有超强吸水能力的材料，这种材料典型的应用场景是——尿不湿。

尿不湿吸水实验。图片来源于网络

  今天要介绍的凝胶“大神”玩家，正是将这种常见、廉价的高分子材料与水的相互作用发挥到了极致，无论吸水溶胀还是脱水收缩，都挖掘出了令人意想不到的应用，顺便收获两篇Science。他就是美国麻省理工学院（MIT）的Edward S. Boyden教授，一位生物工程和神经科学领域的专家。

Edward S. Boyden教授。图片来源：MIT ^[1]

  心里是不是有疑问——凝胶“大神”玩家，应该是个高分子化学家或者材料学家啊，怎么会来自生命科学领域呢？事情要从三年多前的一篇Science 说起。

凝胶溶胀与膨胀显微镜

  Boyden教授实验室长期进行神经科学领域的研究，需要对细胞和神经组织进行显微观察。光学显微镜由于光源波长的限制，分辨率存在极限，约为200纳米左右。尽管目前市面上已经存在分辨率在250纳米左右的超分辨率光学显微镜，但这个分辨率对于生命科学的研究来说还不够，而且这种显微镜要求又小又薄的样品，对于较大的生物学样品成像需要花费很多时间，最重要的是，这种精密仪器很！贵！不是每个实验室都能轻松拥有。

  怎么办呢？一些科学家想到把电子显微镜引入生命科学的研究，这也就有了近年来火热并且获得2017年诺贝尔化学奖表彰的“冷冻电镜”。尽管冷冻电镜能把分辨率降低到亚纳米级，但很多生物学样品无法通过冷冻电镜技术来观察，而且冷冻电镜也非！常！贵！

  与发展更大更强的显微镜技术这条路不同，Boyden教授课题组走了另一条路——把样品撑的更大。如果一个东西太小了看不清，把它撑大一点不就能看得清了？而把样品撑大的关键就是吸水能力超强的聚丙烯酸类凝胶。2015年，他们在Science上发表了一篇标题仅有两个单词的论文“Expansion microscopy”（Science,2015, 347, 543），向世人展示了这种充满想象力的技术，笔者姑且称之为“膨胀显微镜”。

膨胀显微镜使用吸水凝胶（A i→ii）撑大样品（B→C）。图片来源：Science

  简单介绍下膨胀显微镜的原理。在撑大样品之前，研究者首先使用抗体（下图F“一抗”）识别样品中的目标细胞成分或蛋白质，并且在该抗体上通过二抗和互补寡核苷酸（下图F）连接荧光染料以及可参与后续自由基聚合反应的甲基丙烯酰氧“锚点”基团。随后加入单体、交联剂等，再引发单体的聚合形成聚丙烯酸凝胶。然后加入蛋白酶水解样品中那些阻止或者影响凝胶吸水均匀膨胀的蛋白质（不影响目标蛋白质），再加入水使得凝胶吸水膨胀，体积增大100倍，把样品撑大。由于“锚点”基团的存在，目标蛋白质被固定在聚丙烯酸链上（下图F），这就保证了凝胶膨胀过程中目标蛋白质相对于组织样品的整体结构来说相对位置保持相同。

膨胀显微镜中对于目标蛋白质的标记。图片来源：Science

  膨胀显微镜技术可以让人们用常规的光学显微镜来快速观察较大生物样品中一些原本无法分辨的结构，无需特殊荧光染料，也不用特殊的光源。作为例证，他们使用传统的共聚焦显微镜，对约10⁷立方微米的小鼠海马组织样品进行三色超分辨率成像，以约70纳米的分辨率获得了细胞和脑组织的结构图像。

基于膨胀显微镜技术的小鼠脑组织3D超分辨率显微图像。图片来源：Science

  这三年来，膨胀显微镜技术也不断发展。比如，多次重复上述过程，分辨率（扩展的倍数）得以进一步提高；应用范围也从蛋白质扩大到其他重要的生物分子，例如RNA和DNA。

凝胶收缩与3D纳米制造

  武林高手讲究收放自如，只能放，不能收，显然不是高手。

  Boyden教授显然深谙此中道理，他们最近用与凝胶吸水溶胀相反的现象——脱水收缩——又发了一篇Science，报道了一种称为“内压制造”（Implosion fabrication）的新技术，为纳米尺度加工提供了一个崭新的思路。简单的说，聚丙烯酸凝胶遇水能膨胀，那脱水之后体积不就收缩了嘛。先在已经充分吸水的聚丙烯酸水凝胶中制备个稍大的3D结构，然后脱水，过程中控制由外向内的压力就能将3D结构缩小到纳米级。

  操作的方法包括以下几步：（1）让带有反应基团（R，下图A）的荧光素分子扩散到膨胀的聚丙烯酸水凝胶中，按照预定3D图案对荧光素进行双光子激发，使其与聚丙烯酸水凝胶反应，固定在水凝胶的特定位置上作为锚定位点；（2）基于3D图案化的反应基团，将用于纳米加工的物质（例如金纳米颗粒、量子点、DNA等等）沉积到水凝胶中（下图B），得到官能化的水凝胶；（3）如有需要，还可继续沉积其他物质（下图C）；4）用二价阳离子或酸（以及干燥）让水凝胶脱水，在每个方向上都收缩到原来的1/20至1/10（下图D），体积就可缩小至原来的数千分之一，达到纳米级。

内压制造技术的四个主要步骤。图片来源：Science

  纳米加工技术不得不提的参数是加工线宽。在目前的内压制造中，最小加工尺寸约为60纳米，这种尺度下的金属纳米材料在纳米光学中非常重要。经过尝试摸索，作者发现可以在最初引入的金纳米颗粒上沉积银，后续用低剂量的曝光就能让银烧结得到高导电性且结构可设计的3D纳米材料。相比之下，目前的纳米加工技术多适用于2D及2.5D结构，或者仅能制备简单的3D结构，内压制造技术无疑提供了一种更普适更简便的3D纳米加工技术。

基于内压制造获得的3D金属纳米材料。图片来源：Science

  能大能小，Boyden对于凝胶的灵活应用堪称一绝，MIT官网新闻报道中也戏称这个技术让人联想到了漫威英雄“蚁人”那套能大能小的神奇“战衣”。^[2]

  最后再来膜拜一下Boyden“大神”。Edward S. Boyden出生于1975年，而早在2005年就和Karl Deisseroth教授一起报道了后来被广泛使用的“光遗传学”技术，并由此获奖无数；在MIT开展自己的工作后也推出了许多让人耳目一新的技术，包括前面的膨胀显微镜。不知这次涉足3D纳米制造之后，Boyden教授未来还能带来什么样的惊喜，笔者翘首以待。

  参考资料：

  1.http://news.mit.edu/2015/enlarged-brain-samples-easier-to-image-0115

  2.http://news.mit.edu/2018/shrink-any-object-nanoscale-1213