看到含羞草、变色龙，你会想到什么？中科院深圳研究院的研究员杜学敏，从含羞草和变色龙得到灵感，发明出“会卷起来”的人工血管、美瞳。12月18日上午，2019海交会SELF Guangzhou科学演讲第二场，杜学敏分享了他与含羞草、变色龙的故事。
含羞草挑逗久了会“不理人”？
杜学敏从事仿生学研究，害羞的含羞草、神奇的变色龙都是他的重点学习对象。每天他都沉迷于从生物到材料的转化，有一天他在含羞草和变色龙中获得灵感，并造出“会卷起来”的人工血管、能为青光眼患者监测眼压的美瞳等。
故事要从杜学敏一次爬山讲起。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，还好奇地挑逗了半小时，直到最后任人再怎么碰它也“不理人”了。
含羞草为什么会“害羞”？他查阅大量文献资料发现，原来含羞草的叶枕处有上下两层细胞。平常，叶枕内的两层细胞都含水膨胀，支撑着打开的叶片。当有人碰它的叶子时候，叶枕内的上层细胞水份会从细胞中流向组织，从而使得细胞收缩变小，而下层细胞不会有什么变化。叶枕中的两层细胞在刺激前后，会产生膨胀压差异，正是由于这个差异带来叶枕的变形。
为什么含羞草挑逗久了会“不理人”？资料显示，含羞草原产于中南美洲，生存环境比较恶劣、风雨较多。为了避免被自然界摧残，含羞草会在风雨震动下收起自己的叶子，以减轻恶劣环境对它的伤害。叶枕中的细胞都排列规整，并有一定的取向，而正是由于这个取向结构决定了含羞草的叶片只能是上下开合。当然如果一直挑逗它，长时间的刺激使得细胞中失去的水分需要较长时间回到细胞中，就会“没反应”了。
明星材料极大的溶胀变形差异
实现像含羞草一样的变形能力
杜学敏在中科院深圳先进院带领一个仿生智能材料研究团队，他由此提出一个大胆的设想，是否可以利用含羞草变形的普适性原理，指导设计出可控变形的材料？
经过多次试验，他们最终选用一种从海洋褐藻中提取出来的天然多糖——海藻酸钠，这是一种明星材料，在食品、化妆品、医药等领域已经得到非常广泛的应用。
他们首先制备出了许多沟沟槽槽的模板，把海藻酸钠溶液浇上去，用钙离子进行交联，钙离子交联的过程就和“卤水点豆腐”一样，让原本的溶液固化成固体。由于钙离子从样品上表面跑到下表面需要时间，因此只要控制好样品与钙离子接触的时间，样品的上表面就会致密，下表面疏松多孔。因为越致密地方就越硬，溶胀变形能力就差点；越疏松的下表面就越软，溶胀变形能力就越强。所以上表面比下表面硬30倍，带来极大的溶胀变形差异。最终实现像含羞草一样的变形能力。
运用神奇变形材料造出
“会卷起来”的人工血管
意想不到的是，这个神奇的变形材料，还可以应用在心血管疾病的治疗上。
心血管疾病是目前全球致死率最高的疾病，每年因心血管疾病死亡的人数超过1700多万。目前，临床治疗的有效方式之一是动脉搭桥术，但这种治疗方法严重依赖自体血管移植，不仅供体不足，而且还容易诱发一系列的并发症。如果能研究出仿生人工血管，那将可以为心血管疾病患者提供全新的治疗方案。
但摆在团队面前有两个挑战：第一，怎么样形成类似血管的三维连续闭合管？第二，怎么样获得像血管一样的生物活性？
他们需要设计出一种材料，这种材料能让细胞喜欢在上面生长，而且在种植好细胞后，这个材料还能从平面卷曲成管状。有了前期仿含羞草变形的经验，他们成功设计出能自卷曲的闭合管，而且还成功在这个管卷曲前，就把血管内皮细胞种上去了，因此成功研究出具有一定生物活性的仿生血管，未来可以为心血管疾病治疗提供全新思路。“目前这种仿生材料已经做过体外实验。团队也正积极推进这些材料的活体实验。”
不仅如此，团队还惊喜地发现，利用害羞草变形的原理，还实现了材料的复杂打结。未来伤口缝合后，缝合线可以自己打结，伤口愈合后材料可以在体降解消失，不需要再次拆线，将极大降低手术难度与患者痛苦。
青光眼如何连续监测眼压？
戴上仿生美瞳，眼压升高会变色
除了含羞草，自然界中还有一种神奇的动物——变色龙，可以通过肤色来表达自己的情绪。
因为变色龙皮肤中有周期性排列的小颗粒，当变色龙情绪变化时，会通过皮肤的收缩与舒张来改变皮肤中周期结构的距离，进而改变肤色。比如，当变色龙情绪平静的时候，皮肤中小颗粒间的距离排列非常紧密，皮肤呈现绿色；而当变色龙兴奋激动的时候，皮肤会舒张进而使得紧密排列的颗粒距离增大，从肉眼看来，它的皮肤就会从绿色变为橙色。
如何制备出一种可舒张和收缩的材料，模仿变色龙变色？凭借在变色材料方面的多年研究经验，他们很快研制出一种周期性的纳米结构，并实现了这种材料的快速变色，变色时间只需要0.2 秒。不过实现仿生变色龙的材料，不仅需要变色，还要能够运动。怎么能够让它变形动起来呢？经过摸索，他们最终通过将含羞草的变形原理设计到仿变色龙的材料中，成功实现既可变形，又能变色的材料。
一天，他看到有新闻报道劣质美瞳由于制备工艺不正规，导致化学染料泄露造成严重的眼睛疾病。他突发奇想，有没可能把我们的结构色材料做成可以变色的美瞳？经过多次试验，团队成功做出仿变色龙的隐形眼镜——仿生美瞳。这款美瞳还能用于治疗青光眼上。
青光眼，被称之为“视力小偷”。目前临床无法治愈，只能通过及时监测并控制眼压，进而避免视力恶化。但人体眼压24小时波动，如果不能连续监测眼压易错过眼压峰值，进而导致视力恶化甚至是不可逆失明。
如果利用美瞳来监测眼压，就可以防止这种情况的出现。杜学敏团队将仿生美瞳戴到青光眼患者的眼睛上，当青光眼患者眼压升高，眼球表面张力增加，进而使得隐形眼镜中周期性纳米结构距离发生变化，触发隐形眼镜颜色变化。比如眼压正常时，隐形眼镜颜色为红色，当眼压升高时，隐形眼镜颜色变成了蓝色，从而提醒患者需要赶紧滴降眼压药了；当眼压恢复正常后，隐形眼镜颜色也恢复到红色。
采写：南都记者杨丽云 通讯员蔡浩梅
图片：杜学敏提供，部分来自网络
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