看到含羞草、變色龍，你會想到什麼？中科院深圳研究院的研究員杜學敏，從含羞草和變色龍得到靈感，發明出“會卷起來”的人工血管、美瞳。12月18日上午，2019海交會SELF Guangzhou科學演講第二場，杜學敏分享了他與含羞草、變色龍的故事。

含羞草挑逗久了會“不理人”？

杜學敏從事仿生學研究，害羞的含羞草、神奇的變色龍都是他的重點學習對象。每天他都沉迷于從生物到材料的轉化，有一天他在含羞草和變色龍中獲得靈感，并造出“會卷起來”的人工血管、能為青光眼患者監測眼壓的美瞳等。

故事要從杜學敏一次爬山講起。2014年夏天，他和太太在香港爬山途中，第一次看到活生生的含羞草，還好奇地挑逗了半小時，直到最後任人再怎麼碰它也“不理人”了。

含羞草為什麼會“害羞”？他查閱大量文獻資料發現，原來含羞草的葉枕處有上下兩層細胞。平常，葉枕内的兩層細胞都含水膨脹，支撐着打開的葉片。當有人碰它的葉子時候，葉枕内的上層細胞水份會從細胞中流向組織，從而使得細胞收縮變小，而下層細胞不會有什麼變化。葉枕中的兩層細胞在刺激前後，會産生膨脹壓差異，正是由于這個差異帶來葉枕的變形。

為什麼含羞草挑逗久了會“不理人”？資料顯示，含羞草原産于中南美洲，生存環境比較惡劣、風雨較多。為了避免被自然界摧殘，含羞草會在風雨震動下收起自己的葉子，以減輕惡劣環境對它的傷害。葉枕中的細胞都排列規整，并有一定的取向，而正是由于這個取向結構決定了含羞草的葉片隻能是上下開合。當然如果一直挑逗它，長時間的刺激使得細胞中失去的水分需要較長時間回到細胞中，就會“沒反應”了。

明星材料極大的溶脹變形差異

實現像含羞草一樣的變形能力

杜學敏在中科院深圳先進院帶領一個仿生智能材料研究團隊，他由此提出一個大膽的設想，是否可以利用含羞草變形的普适性原理，指導設計出可控變形的材料？

經過多次試驗，他們最終選用一種從海洋褐藻中提取出來的天然多糖——海藻酸鈉，這是一種明星材料，在食品、化妝品、醫藥等領域已經得到非常廣泛的應用。

他們首先制備出了許多溝溝槽槽的模闆，把海藻酸鈉溶液澆上去，用鈣離子進行交聯，鈣離子交聯的過程就和“鹵水點豆腐”一樣，讓原本的溶液固化成固體。由于鈣離子從樣品上表面跑到下表面需要時間，因此隻要控制好樣品與鈣離子接觸的時間，樣品的上表面就會緻密，下表面疏松多孔。因為越緻密地方就越硬，溶脹變形能力就差點；越疏松的下表面就越軟，溶脹變形能力就越強。所以上表面比下表面硬30倍，帶來極大的溶脹變形差異。最終實現像含羞草一樣的變形能力。

運用神奇變形材料造出

“會卷起來”的人工血管

意想不到的是，這個神奇的變形材料，還可以應用在心血管疾病的治療上。

心血管疾病是目前全球緻死率最高的疾病，每年因心血管疾病死亡的人數超過1700多萬。目前，臨床治療的有效方式之一是動脈搭橋術，但這種治療方法嚴重依賴自體血管移植，不僅供體不足，而且還容易誘發一系列的并發症。如果能研究出仿生人工血管，那将可以為心血管疾病患者提供全新的治療方案。

但擺在團隊面前有兩個挑戰：第一，怎麼樣形成類似血管的三維連續閉合管？第二，怎麼樣獲得像血管一樣的生物活性？

他們需要設計出一種材料，這種材料能讓細胞喜歡在上面生長，而且在種植好細胞後，這個材料還能從平面卷曲成管狀。有了前期仿含羞草變形的經驗，他們成功設計出能自卷曲的閉合管，而且還成功在這個管卷曲前，就把血管内皮細胞種上去了，因此成功研究出具有一定生物活性的仿生血管，未來可以為心血管疾病治療提供全新思路。“目前這種仿生材料已經做過體外實驗。團隊也正積極推進這些材料的活體實驗。”

不僅如此，團隊還驚喜地發現，利用害羞草變形的原理，還實現了材料的複雜打結。未來傷口縫合後，縫合線可以自己打結，傷口愈合後材料可以在體降解消失，不需要再次拆線，将極大降低手術難度與患者痛苦。

青光眼如何連續監測眼壓？

戴上仿生美瞳，眼壓升高會變色

除了含羞草，自然界中還有一種神奇的動物——變色龍，可以通過膚色來表達自己的情緒。

因為變色龍皮膚中有周期性排列的小顆粒，當變色龍情緒變化時，會通過皮膚的收縮與舒張來改變皮膚中周期結構的距離，進而改變膚色。比如，當變色龍情緒平靜的時候，皮膚中小顆粒間的距離排列非常緊密，皮膚呈現綠色；而當變色龍興奮激動的時候，皮膚會舒張進而使得緊密排列的顆粒距離增大，從肉眼看來，它的皮膚就會從綠色變為橙色。

如何制備出一種可舒張和收縮的材料，模仿變色龍變色？憑借在變色材料方面的多年研究經驗，他們很快研制出一種周期性的納米結構，并實現了這種材料的快速變色，變色時間隻需要0.2 秒。不過實現仿生變色龍的材料，不僅需要變色，還要能夠運動。怎麼能夠讓它變形動起來呢？經過摸索，他們最終通過将含羞草的變形原理設計到仿變色龍的材料中，成功實現既可變形，又能變色的材料。

一天，他看到有新聞報道劣質美瞳由于制備工藝不正規，導緻化學染料洩露造成嚴重的眼睛疾病。他突發奇想，有沒可能把我們的結構色材料做成可以變色的美瞳？經過多次試驗，團隊成功做出仿變色龍的隐形眼鏡——仿生美瞳。這款美瞳還能用于治療青光眼上。

青光眼，被稱之為“視力小偷”。目前臨床無法治愈，隻能通過及時監測并控制眼壓，進而避免視力惡化。但人體眼壓24小時波動，如果不能連續監測眼壓易錯過眼壓峰值，進而導緻視力惡化甚至是不可逆失明。

如果利用美瞳來監測眼壓，就可以防止這種情況的出現。杜學敏團隊将仿生美瞳戴到青光眼患者的眼睛上，當青光眼患者眼壓升高，眼球表面張力增加，進而使得隐形眼鏡中周期性納米結構距離發生變化，觸發隐形眼鏡顔色變化。比如眼壓正常時，隐形眼鏡顔色為紅色，當眼壓升高時，隐形眼鏡顔色變成了藍色，從而提醒患者需要趕緊滴降眼壓藥了；當眼壓恢複正常後，隐形眼鏡顔色也恢複到紅色。

采寫：南都記者楊麗雲 通訊員蔡浩梅

圖片：杜學敏提供，部分來自網絡

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