中科院理化所刘静教授团队Matter：趋化性液态金属仿生白细胞“化学代谢”催生类生命活性

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-02-15 07:49

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想象一下，一颗银色的“金属细胞”正在上演生命的奇迹 ——它如巨噬细胞般精准捕获目标，似淋巴细胞般穿透毛细血管，又像中性粒细胞般逆重力攀爬——而它本身没有一丝DNA。这并非是天马行空的生物学设想，而是来自《Matter》期刊最近报道的一项发现，无机物质通过化学“代谢”获得了类生命活性，打开了某种合成生命物质的路径。

生命蕴含着无尽的智慧与奥秘，其复杂而有序的运行机制令人惊叹。在科学探索的漫漫征途中，人类从未停止过对生命奥秘的探索与追寻。长久以来，科学家们一直痴迷于通过无生命的物质创造出类似生命的系统。尽管目前已取得了重大进展，但传统的仿生系统始终面临“能量—形态”的二元困境：依赖外部能源的系统虽能受控运动，却丧失了变形智能；而可变形的材料往往沦为被动的响应体。

近日，来自中科院理化所与清华大学的联合研究小组，从白细胞通过化学梯度实现自主导航的生物趋化性中获得关键启示，在液态金属体系中引入了非对称化学“代谢”机制，创制出趋化性液态金属仿生智能体。这种液态金属仿生智能体能够模拟类似白细胞在血液中的多种自主行为，如趋化运动、胞吞作用、大尺度变形、振荡自推进、分裂与融合以及逆重力攀爬等。相应工作以 “Chemotaxic biomimetic liquid metallic leukocytes” 为题 发表在《 Cell 》姊妹刊《 Matter 》上（2025, DOI:10.1016/j.matt.2025.101991）。中科院理化所博士生 马一兵 和清华大学博士后 高建业 为 论文共同第一作者 ， 刘静教授和高建业博士为共同通讯 。

液态金属化学性质较为活泼，能够在温和的条件下与酸、碱和盐发生反应。当液态金属表面发生氧化/去氧化的交替反应时，其表面张力在电势差驱动下发生自适应变化，使液态金属同时获得了自主运动与智能变形的双重能力。研究还揭示了液相环境参与的必要性，液态金属与液相界面构筑的液—液动态物质交换界面，使得置换反应与电化学反应持续发生。其中，化学振荡系统驱动表面张力动态平衡，作为“能量心脏”，促使化学能与动能实现高时空维度转换；而非对称反应引发表面张力梯度，作为仿生白细胞的智能核心，催生其进行自推进、吞噬、分裂等类生命行为。

实验证实，这种仿生金属白细胞可在无外场干预下，自主完成5°斜坡攀爬、复杂地形穿越、障碍物形变适应等高阶动作。更令人惊奇的是，其动态吞噬行为完美复现了白细胞围剿病原体的情境。上述发现可望对有关领域的发展带来启示，印证了无机与有机世界的深度融合，预示着材料的某种“觉醒”，也带给人们对物质世界边界的重新认识。

总的来说，这项研究提出了趋化性液态金属仿生白细胞的概念，揭示了其在非对称表面张力驱动下的独特流动与变形行为，成功模拟了类似白细胞吞噬细菌的动态过程。通过一系列实验，揭示出液态金属的振荡自推进和大尺度变形源于原位置换反应和电化学反应引发的表面张力失衡，而表面的氧化/去氧化过程的交替进行则是维持运动的关键。此项研究是探索整合无机与有机世界的重要尝试，对于材料科学与合成生物学的交叉融合有深刻启示，所建立的先进自然模拟系统为研究和探索仿真各种生物学行为开辟了新的途径，这种趋化性液态金属系统还在自主性柔性传感器、微流控技术和靶向医疗等方面展示了重要潜力。

图1. 趋化性液体金属仿生白细胞概念、设计原理、运动机制。(A) 仿生液体金属白细胞概念示意；(B) 不同盐与酸性溶液组合下液态金属趋化行为展示，(i) FeCl ₃ -HCl体系，(ii) Ag ₂ SO ₄ -HNO ₃ 体系，(iii) CuCl ₂ -HCl体系，(iv) CuSO ₄ -HCl体系；(C) 液态金属趋化实验示意；(D) 趋化性液态金属白细胞的可变形运动行为示意；(E) 液态金属白细胞仿生行为化学反应机理刻画。

视频1.液态金属在不同金属盐-酸体系中的行为

图2. 趋化性液体金属仿生白细胞的振荡自推进行为刻画。(A) 自推进位移和速度；(B) 自推进过程中的受力分析；(C) 自推进过程自身高度的周期性变化；(D) 两种不同配比的液态金属由反应I和反应II产生的Ga³⁺浓度情况以及相应的平均推进速度。

视频2. 液态金属白细胞的自主定向运动行为

图3. 趋化性液体金属仿生白细胞的逆重力爬坡行为。(A) 逆重力自爬坡行为展示；(B) 逆重力自爬坡过程的受力分析；(C) 自爬坡过程中的速度和加速度曲线；(D) 穿过起伏地形行为展示；(E) 穿过起伏地形时的速度和加速度曲线。

视频3. 液态金属白细胞的自主逆重力爬坡行为

图4. 趋化性液体金属仿生白细胞在二维平面的振荡变形与自推进行为。(A) 二维平面的自推进运动轨迹；(B) 自推进运动过程的变形行为展示；(C) 振荡变形行为展示；(D) 在二维平面投影面积随时间变化刻画。

视频4. 液态金属白细胞的振荡自推进行为

图5. 趋化性液体金属仿生白细胞的自主越障行为。(A) 液态金属白细胞与白细胞行为类比；(B) 液态金属白细胞自主穿越障碍时的受力分析；(C) 越障后液态金属白细胞的(i)合并与(ii)分离示意；(D) 液态金属白细胞越过障碍后的合并行为展示；(E) 液态金属白细胞越过障碍后的分离行为展示。

视频5. 液态金属白细胞与普通白细胞自主行为类比

中科院理化所刘静教授团队Matter：趋化性液态金属仿生白细胞“化学代谢”催生类生命活性

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