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Nat. Commun. | 一种用于实时监测软材料、活组织应力分布的定制化、可视化平台：开启生命科学、材料科学领域研究新纪元

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-02-24 09:20

正文

由于所有材料都承受一定的应力，因此实时监测应力及其分布对于阐明天然软材料的生理功能以及人工软材料的应用至关重要。然而，由于其低模量、弱力（~pN）相互作用及复杂动态特性， 原位表征软材料中的力或应力分布，特别是对活体生物材料来说，是一个挑战。 这限制了新型软材料开发及其潜在应用的发展。

在此，大连理工大学生物工程学院刘田教授和浙江大学物理学院雷海副教授受 Förster 共振能量转移（ FRET ）的启发，共同报告了一种基于 FRET 的力传感模块和碳水化合物结合模块（ CBMs ）的可定制应力可视化平台（ FTSM-CBMs ），用于实时监测柔性生物材料和活组织中的应力分布及应力转移过程，这将有助于推动昆虫科学、材料科学等领域的变革。相关成果以“ Tailorable biosensors for real-time monitoring of stress distribution in soft biomaterials and living tissues ”为题发表在《 Nature Communications 》上。大连理工大学生物工程学院博士生原烽堠为论文第一作者。

团队通过单分子力谱等微观应力手段的帮助，基于极限应力范围对各个元件进行合理设计，成功开发出 FTSM-CBM-1 （图 1 ）。随后，作者通过原位拉伸 -FRET 验证了该探针的稳定性，确保了结果的可靠性。基于该平台，通过简单浸泡即可实现对材料 2D 和 3D 应力的半定量可视化 ，进一步实现 材料的微观结构预检及断裂预警 。检测结果与有限元模拟高度吻合。

图 1. 基于 Förster 共振能量转移的力传感模块和碳水化合物结合模块 -1 （ FTSM-CBM-1 ）的设计。

与人造材料相比，活体生物材料如昆虫表皮，由于成分多样、结构复杂、运动形式丰富以及生物安全性等，对应力分布的实时检测提出更苛刻的要求。在此， FTSM-CBM-1 可实现对蝗虫跳跃过程（跃动模型）的准原位应力可视化以及对果蝇幼虫蠕动过程（蠕动模型）的原位应力可视化（图 2 ，视频 1 ），生物活力并未受到影响。而该运动过程中的应力转移过程此前未得到任何直接证据的支持。

图 2. 生物材料中应力分布的原位检测。

视频 1. 果蝇幼虫 maggots 蠕动过程中的应力原位可视化

进一步地，根据待测物的差异，作者筛选了不同的碳水化合物结合域，并设计了 FTSM-CBM-2 ，以实现 更广谱的生物材料可视化应力检测（图 3 ） 。对植物茎秆的 弯曲应力可视化将有助于弱活力植物的快速剔除，助力抗倒伏作物品种筛选。

图 3. FTSM-CBM 应力可视化平台的可扩展性。

值得一提的是，此前 该团队与中国农 科院深圳基因组所梁翔禹团队合作，在 Cell 子刊 Cell Reports Physical Science 上发表文章“ Damping Chitin Hydrogels by Harnessing Insect Cuticles-inspired Hierarchical Structures ” ，报道了 一种简单、高效的仿生策略来设计并制造具有柔韧片层结构的水凝胶阻尼器 。团队通过可调节的双溶剂交换工艺实现对材料的自组装速率、晶域尺度调节，进而实现、微观结构、力学性能与抗冲击性的调谐。 该工作与本研究共同实现了仿生应力研究平台的构建 ，有助于揭示生物生理学中的诸多难题，实现复杂步态微型仿生机器人的设计及潜在应用开发。

近年来，刘田教授在国家高层次人才特殊支持计划及国家自然科学基金等项目的支持下，在昆虫表皮关键蛋白功能研究及仿生材料设计方面取得了突出进展，相关成果发表于 Nature Nanotechnology 、 Nature Communications 、 Matter 、 Advanced Functional Materials 、 ACS Nano 及 Cell Reports Physical Science 等权威期刊。课题组常年招收博士后、博士生及硕士生，欢迎对科研工作有兴趣、对自己未来有规划的优秀青年加盟！有意者请发邮件咨询（ [email protected] ）。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-56422-8#Ack1

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