基础科学是技术进步的引领者,基础研究更是0-1的原始创新。

中科院上海微系统所的陶虎点“丝”成金,将一直被视为丝织品原料的蚕丝开发为优秀的数据存储介质,并将蚕丝从传统纺织材料转化为高科技、高附加值的信息功能材料和高端医用材料。在信息技术和生命科学前沿交叉领域,围绕脑机接口、生物存储、智能传感器和植入式医疗器械等开展深入研究,开发出瞬态可溶电子、蚕丝硬盘、生物保鲜和可控降解蚕丝骨钉等一系列前沿技术。

蚕丝是人类最早利用的一种动物纤维,也是自然界中最轻、最柔、最细的天然纤维之一,蚕茧就是蚕吐的丝结成的,长度一般2.5~4.5厘米,直径1.5~2.5厘米,重量为0.2~0.5克,一个蚕茧所包含的蚕丝长度多在700~1600米之间,蚕丝虽然很细,只有人的头发直径的1/10左右,但韧性很高,可以用来做丝织品,中国的丝绸始终享誉全球。

脑机接口:将蚕丝蛋白应用于脑电极植入

脑虎科技的“免开颅微创植入式高通量柔性脑机接口系统”,是陶虎团队采用蚕丝蛋白牺牲层自体的微创植入技术,解决了神经电极在植入时产生创伤大的问题,只要打一个不到1毫米的微孔就可以顺利植入。

陶虎说,“蚕丝蛋白天然抗菌、可降解、力学强度高,相应地以蚕丝蛋白为主体的柔性电极将继承其自然属性,在生物相容性、机械强度上要比化工或化学合成材料制成的电极有优势,这些优势我们也期待在临床中能够体现出来。”

基于蚕丝蛋白可控降解特性,将电极浸涂蛋白实现暂时硬质化,植入后蛋白溶解电极恢复柔性,无需外加引导装置,实现电极微创植入。另外,使用神经电极精准定位技术,自动植入并绕过血管,从而避免损伤。不仅如此,植入后与大脑组织的排异反应也较小,安全程度明显超过Neuralink。

生物储存:全球首款“蚕丝硬盘”可植入人体,可控销毁

蚕丝硬盘,一个由蚕丝制成的硬盘,作为一种高容量、高可靠性的新型存储技术,除了能存储数字信息,还可以用于采集存储生物信息,同时存储人体DNA和血液样本、疫苗,甚至可以植入生物体。

陶虎将这块蚕丝蛋白存储器比作“永不丢失的生命铭牌”和“可控寿命的时间胶囊”。他表示,蚕丝蛋白被制成硬盘后,人们想要存储的信息,可以通过近场红外纳米光刻系统写入,并用同一套系统读取。通过改变写入光的能量,可以调节蚕丝蛋白上加工图的形貌,从而实现原位重复擦写。这种存储器还能按照预设的时序可控销毁,从而用于信息保密。目前存储容量已可达64GB每平方英寸,相当于0.5TB。

2022年初,陶虎再次创新开发出基于蚕丝蛋白的多层级可植入瞬态存储器,是柔性电子与可植入器件中的重要组成部分和信息存储媒介,器件在实现可控降解的同时,还具备稳定的存储和加密功能。科研小组开展了小鼠皮下植入实验,进一步验证了瞬态存储器在体内逐层降解的可行性与生物安全性,证明蚕丝蛋白不会引起组织免疫反应。

智能传感器:用蚕丝蛋白做传感器的基底和封装材料

陶虎团队提出了一种基于蚕丝蛋白的生物集成超材料器件,蚕丝蛋白因其机械性能佳、介电损耗小、能可控降解、可兼容大部分微纳加工工艺等特点,而被用作电子器件的基底和介质材料,是目前国际上首个瞬态可溶电子微系统的基底和封装材料。用可降解的镁、氧化镁、纳米硅膜等半导体功能材料,集成了一系列基本电子元器件。整个微系统放置在生理盐水中,大约十分钟就可溶解完毕。

这类器件在信息安全、植入式可控降解生物芯片、电子垃圾回收等领域,具有非常广阔的应用前景,尤其在健康医疗、环境保护等未来电子技术领域,有望产生颠覆性突破和革命性创新。

基于瞬态可溶电子技术,还诞生了全球首个面向特定临床治疗功能、完全生物相容、可在被降解后吸收的植入式器件。它同样以蚕丝蛋白为衬底材料,可植入生物体皮下用于治疗细菌感染。

植入式医疗器械:全球首款蚕丝骨钉天然生物蛋白的骨固定系统

长期以来,坚硬的金属材料,始终是骨折后内固定手术的金标准。可降解蚕丝材料的研发和临床应用,解决了金属内固定应力遮挡、二次手术、伪影干扰的三大缺陷。

空军军医大学西京医院雷伟团队联合陶虎团队,从蚕茧到蚕丝再到蚕丝蛋白溶液、提取成固体,最后用车床精密加工成骨钉的生物材料,历经5年技术攻关,成功突破了蚕丝临床应用的技术壁垒,研发出新型可降解蚕丝接骨螺钉。

陶虎介绍,蚕丝蛋白的分子量和结晶水平是影响骨钉力学性能和降解特性的核心因素。经过近千次试验的失败和坚持不懈的调试,终于实现了硬度与降解性的平衡,达到了体内螺钉固定的要求。

该螺钉是目前全球首款实现人体内应用的可降解医用蚕丝骨钉,标志着人体内固定领域开启了蚕丝应用的新时代,未来还将拓展应用于脊柱外科、神经外科、口腔医学等诸多领域,惠及更多患者。

近年来,科学家们基于蚕丝蛋白展开了研究,并提出了大量具有高科技含量的新型应用,为传统材料注入了新的活力。点“丝”成金,蚕丝在高科技的“塑造”下,将为未来智能社会、健康医疗、环境保护等技术领域带来革命性创新。