生命是大自然的馈赠和数亿年进化的结果，生物组织拥有近乎完美的特性以至可实现各种复杂的生理功能。几个世纪以来，人类从未停止过对生命的探索与模仿，特别是在构筑仿生组织方面付出了巨大努力。时至今日，科研人员在利用活的胚胎干细胞培养生物组织方面取得了可喜进展；同时，一些划时代的发现也相继被报道，如利用无机物和有机物自下而上合成人工细胞、从液态金属出发实现类生命行为、研发可编程自我复制的活细胞机器人等。这些工作在促进人们认知物质与生命间奇妙关系的同时，也为开发人工生物组织提供了重大启示。然而，由于生命体系自身拥有的一个最为基础的内在属性，即生物节律性，以及未被充分揭示的内部液相环境参与机制，业界在研发类生命组织行为的功能物质方面始终面临严峻挑战，可以说生物组织一直被模仿，但从未被超越。
图1. 类生物组织和器官的节律性水相液态金属物质示意
近日，来自清华大学与中国科学院理化技术研究所的联合研究小组首次创制出一种水相液态金属物质，展示了一系列独特的类生物组织与器官节律行为，文章提出利用两种液态物质：水和自下而上组装的液态金属，构筑节律性仿生组织和器官的策略(图1)。通过引入超声原位还原和电化学烧结协同机制，作者们制备出水相液态金属物质(Hydrous Liquid-Metal Agglomerates, HLMAs)，由此组装成形的集合体在其类“细胞”生长、漂浮、节律性收缩和舒张过程中均可保持结构化特征，如同经典科学著作中所描述过的那种“缸中大脑”的生理学场景。此类物质工作的核心工作机理在于，利用电场触发的可逆氧化还原“点燃”HLMAs的类生物节律性，在该过程中，HLMAs不仅发生了物质组成与架构、物性节律性变化，同时还伴随着节律性收缩和舒张，类似生物组织与器官进行心脏跳动、肺泡呼吸等。研究揭示了HLMAs节律过程物质变化、能量转换和信息传递三者间的协同机制，证实了液态物质因其高时空维度属性以及液相特征在构筑生物节律方面独特的优势。此项研究为人工生物组织提供了全新的物质基础，也为利用非生命物质构筑生物节律行为提供了典型范例。该工作以“Biotissue like rhythmic hydrous liquid-metal agglomerates”为题发表在《Matter》上(Matter, 2023, doi: 10.1016/j.matt.2023.06.042)。文章第一作者是清华大学医学院博士后高建业博士，通讯作者为刘静教授。该研究得到国家自然科学基金委以及中国科学院前沿项目的支持。
由于液态金属与水并不相溶，且二者密度和表面张力均存在较大的差异，直接制备HLMAs极具挑战。为此，作者提出了一种非常规的制备策略，基本原理包括：(1) 自下而上组装液态金属，平衡其与水之间的固有属性差异(图2A i)；(2) 基于液态金属与溶液自发的化学反应制备结构化的含水液态金属(图2A ii)；(3) 含水液态金属在金属键强相互作用下形成组装体(图2A iii)；(4) 将该组装体制备成多种类生物组织或器官结构并为其构筑生物节律体系(图2A iv)。其中，液态金属自下而上组装至为关键，该环节主要解决两个难题，其一是将水带入液态金属，其二是维持成型后HLMAs的结构化特征。作者采用超声原位还原与电化学烧结协同机制实现了液态金属自下而上的组装。具体地，首先，在碱性溶液中同时超声液态金属与氧化铜(CuO)纳米颗粒，利用超声将液态金属分散为纳米颗粒，增大其与CuO颗粒间的反应比表面积(图2B i)。二者接触后发生原位置换反应(图2B ii, 图2C)，该过程促使在液态金属纳米颗粒中产生诸多原电池单元，在原电池放电作用下，反应产物被烧结在一起，并在溶液中形成丰富的微/纳米团簇(图2B iii)。然后，在超声作用下，这些微/纳米团簇部分作为良好的蓄水体，将水带进液态金属内部，部分则聚集在液态金属周围(图2B iv, 图2D)。最后，随着微/纳米团簇蓄水体的进入，液态金属内部逐渐发生原电池发泡反应，直至含水液态金属完全漂浮在溶液中，至此完成HLMAs的制备。HLMAs内部分散的孔隙结构(图2D ii)便是水溶液被成功带进液态金属强有力的证据。上述自下而上组装的HLMAs可以通过提供不同的金属氧化物、溶液环境、反应物比例、温度、液态金属种类进行定制，用以制备多样化的类生物组织或器官。
图2. 水相液态金属物质制备示意、协同机制和结构特征
研究发现，HLMAs成型的关键在于其内部“骨架”和表面“囊泡膜”由许多方形微晶体(金属间化合物CuGa2)分散在液态金属中形成，受益于金属间化合物CuGa2与液态金属间良好的浸润性，HLMAs“柔而不散”。
图3. 水相液态金属物质微观结构组成及材料表征
HLMAs的节律性首先体现在物质架构与物性的节律性变化上。基于液态金属的可逆型氧化还原特性(图4 B)，作者施加交变生物电信号引发HLMAs物质的动态节律性变化，该过程不仅涉及液态金属的周期性电化学氧化还原反应，还包含界面电双层改变以及溶液中离子定向迁移等复杂过程，图4 A以施加交变正弦电信号诱发氧化还原过程为示例，阐述了HLMAs物质节律变化的机制。研究发现伴随着物质的节律性变化，HLMAs的电导率等物性亦展现出节律性变化(图4C)，且节律频率与施加信号保持一致。在3600次物质节律变化过程中，HLMAs的电阻变化率(ΔR/R0)逐渐有增加(图4D)，表现出类生物组织“老化”行为，这是由准可逆氧化还原特性诱导的氧化积累造成的，溶液中逐渐增加的Ga3+印证了这一观点(图4E)。
图4. 水相液态金属物质与物性的节律性变化
上述策略通过引入可逆性氧化还原反应成功实现了HLMAs物质、物性的动态节律变化。进一步地，作者还揭示了HLMAs在生物电信号刺激下的节律性收缩和舒张行为，该过程类似于心肌组织在电信号刺激下引发的心脏收缩和舒张节律(图5A)。此外，HLMAs的节律性收缩和舒张伴随着液态金属的挤出与回流 (图5B)。理论上，在HLMAs内部的液态金属运动主要受表面张力Fsy、自身重力G和浮力Fb控制。在施加生物电信号前，这三种力保持平衡(图5B i)。然而，一旦施加生物电信号，液态金属的表面张力迅速变化，打破了上述平衡，导致HLMAs内部液态金属呈周期性挤出和回流。该过程涉及表面能和重力势能之间的节律性转换。通过实时追踪HLMAs收缩和舒张过程，作者成功刻画了HLMAs中液态金属的位移和速度 (图5C)。研究发现液态金属的挤出位移可表述为施加电信号的积分函数
，而其挤出速度则与施加电信号呈高度相关性
。然而，液态金属的回流过程则是在短时内迅速完成，其速度曲线周期性呈现尖峰，这是表面张力在电化学还原和化学溶解的协同作用下迅速恢复所致。有趣的是，在心电信号的刺激下，HLMAs挤出与回流的速度呈现出全新的同频“类心电”信号(图5D-F)。这种以高时空维度属性的液态物质为信息载体，基于已知信号产生新信号的策略，或将推动人工智能取得新突破。
图5. 水相液态金属物质节律性收缩与舒张行为
总的说来，通过引入自下而上组装成的液态金属集合体和水两种典型液相物质，作者们创造出了节律性的类生物组织和器官。在液态金属组装过程中，基于超声原位置换和电化学烧结的协同机制促使金属间化合物和微/纳米团簇蓄水体的生成，由此将水溶液成功弥散于整个液态金属区域。受益于金属间化合物与液态金属间的强相互作用，HLMAs在其生长、漂浮和节律性收缩/舒张过程中，均可保持“柔而不散”的结构特征。作者以输入周期性生物电信号为切入点，引入可逆氧化还原过程，成功“点燃”了HLMAs在物质、物性、收缩和舒张行为等方面的节律行为。研究证实了高时空维度属性的液态物质在构建生物节律方面的可行性和便捷性，或将帮助人们进一步理解液相环境在仿生节律行为中的重要作用。此外，研究还揭示了HLMAs类生物组织在物质变化、能量转换和信息传递方面的节律协同作用。可以看到，节律性HLMAs的问世，或为模仿甚至超越生物组织提供新的研究范式，未来更多的材料组合、装配结构和仿生行为可沿此方向扩展，该工作也为基于液相物质开发柔性机器人以及人工智能体等提供了全新的物质基础。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.06.042
