在自然界中，对力学刺激的感知是活细胞的基本特性，它使得细胞能够检测、解读、响应并适应外部复杂环境。此外，力学感知在工程领域中也发挥着重要作用，如可穿戴设备和软体机器人等。尽管科研人员已经开发出多种材料和结构来感知力学刺激，但人造系统在灵敏度、能源利用效率和自主水平等方面仍然远远落后于生物系统。与此同时，近年来，生物融合（biohybrid approach）已经成为一个新兴的将生物功能嵌入到人工材料的热点领域。但迄今为止，却鲜有研究报道具有力学感知功能的活性材料体系。此外，如何用简易的方法制造活性材料、延长其寿命、缩短其响应时间、降低其维护成本，仍然是制约活性材料实际应用的关键因素。

  针对该问题，在前期生物融合发光器件的基础上（Nat.Commun.13 (1), 3914），加州大学圣地亚哥分校蔡盛强教授团队，通过将力致发光海洋甲藻嵌入到生物相容性的水凝胶中，发展了一种超灵敏且强韧的力致发光活性软材料体系。该活性材料具有高灵敏度(Pa~kPa)，可快速响应（~20ms），并且维护简单，只需要光照和黑暗条件进行生理循环。在疏水涂层的保护下，该活性材料在恶劣条件下（海水及酸、碱溶液）仍具有5个月的使用寿命。该材料还适用于具有高分辨率（~0.39mm）的直写式3D打印，并可以通过双网络水凝胶实现力学性能增强。此外，研究者提出了一个数学模型来分析力致发光行为，并与实验相比取得了较好的一致性。该活性材料有望用于力学传感、软体机器人和生物光疗等领域，同时也可作为一个材料平台来研究基础的生物力学感知。

一、生物活性力致发光软材料的设计和展示

  首先，作者将海藻酸钠水凝胶溶液与发光细胞培养液混合，然后利用CaCl₂溶液进行离子交联，将细胞限制在凝胶中（图1A）。在黑暗条件下，压缩该活性材料可触发其近乎瞬时的发光（图1B）。而用物体在该材料表面滑动，可触发其局部发光（图1C）。为了展示该材料的高灵敏度，作者让一个轻质泡沫球在其表面滚动，来自球的微小压力（~10mN）仍可激活其发光（图1D）。为了增强该活性材料在不可预测条件下的耐用性，作者在其表面制备了疏水涂层，实现了在海水环境中5个月的使用寿命（图1E）。作者进一步在涂层中加入颜料，可实现对发光颜色光谱的调节（图1F）。

图1.力致发光活性软材料的设计和概念性展示

二、用于增强活性软材料使用寿命的疏水弹性体涂层

图2.疏水涂层用于增强活性软材料的稳定性、使用寿命和力学性能

三、3D打印具有高分辨率和复杂形状的活性软材料

图3.利用3D打印将活性软材料打印成具有高分辨率的不同几何图案

四、利用生物相容性双网络水凝胶增强活性软材料的力学性能

图4.利用双网络水凝胶对力致发光活性软材料进行力学增强

五、一个用于分析力致发光行为的定量化数学模型

  接下来，作者基于前期对单个发光细胞的定量化研究（Phys.Rev.Lett.125 (2), 028102；Biophys.J.108, 1341-1351），提出了一个数学模型来预测力致发光行为，并且与实验结果取得了较好的一致性。根据对细胞内力学传感途径的分析，作者提出了由一组常微分方程构建的物理模型（图5B）。在实验中，作者对长条形样品施以加载、保持和卸载三个连续的测试步（图5A；图5C，中）。在第一组测试中，作者改变了最大位移δ_max,并控制位移速率不变（图5C）。在第二组测试中，作者改变了位移速率，并控制最大位移δ_max不变（图 5D）。同时，作者通过视频处理，得到了发光强度随时间的变化曲线。

和

取决于

和

（图5E，中）。为了校准该模型，作者还需进行数据拟合，得到联系各个变量之间的模型常数（图5E）。利用这些关系，在确定了模型参数和初始值后，作者使用归一化的应力变化率

图5.一个用于分析力致发光行为的定量化数学模型

  总而言之，借助生物融合方法，作者开发了一种高灵敏且坚韧的力致发光活性软材料，具有快速响应、长寿命、可打印、力学强韧等特点。此外，作者提出了一个数学模型来定量分析力致发光，与实验相比取得了较好的一致性。该材料有望用于软体机器人、柔性传感和生物光疗等领域。

原文及参考文献

1.Ultrasensitive and robust mechanoluminescent living composites. Chenghai Li, Nico Schramma, Zijun Wang, Nada F. Qari, Maziyar Jalaal, Michael I Latz, Shengqiang Cai. https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adi8643

2.Highly robust and soft biohybrid mechanoluminescence for optical signaling and illumination. Chenghai Li, Qiguang He, Yang Wang, Zhijian Wang, Zijun Wang, Raja Annapooranan, Michael I Latz, Shengqiang Cai. https://www.nature.com/articles/s41467-022-31705-6

3.Stress-Induced Dinoflagellate Bioluminescence at the Single Cell Level. Maziyar Jalaal, Nico Schramma, Antoine Dode, Hélène De Maleprade, Christophe Raufaste, Raymond E Goldstein. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.028102

4.Mechanosensitivity of a rapid bioluminescence reporter system assessed by atomic force microscopy. Benoit Tesson,and Michael I. Latz. https://www.cell.com/biophysj/fulltext/S0006-3495(15)00169-1