基礎科學(xué)是技術(shù)進(jìn)步的引領(lǐng)者,基礎研究更是0-1的原始創(chuàng )新。
中科院上海微系統所的陶虎點(diǎn)“絲”成金,將一直被視為絲織品原料的蠶絲開(kāi)發(fā)為優(yōu)秀的數據存儲介質(zhì),并將蠶絲從傳統紡織材料轉化為高科技、高附加值的信息功能材料和高端醫用材料。在信息技術(shù)和生命科學(xué)前沿交叉領(lǐng)域,圍繞腦機接口、生物存儲、智能傳感器和植入式醫療器械等開(kāi)展深入研究,開(kāi)發(fā)出瞬態(tài)可溶電子、蠶絲硬盤(pán)、生物保鮮和可控降解蠶絲骨釘等一系列前沿技術(shù)。
蠶絲是人類(lèi)最早利用的一種動(dòng)物纖維,也是自然界中最輕、最柔、最細的天然纖維之一,蠶繭就是蠶吐的絲結成的,長(cháng)度一般2.5~4.5厘米,直徑1.5~2.5厘米,重量為0.2~0.5克,一個(gè)蠶繭所包含的蠶絲長(cháng)度多在700~1600米之間,蠶絲雖然很細,只有人的頭發(fā)直徑的1/10左右,但韌性很高,可以用來(lái)做絲織品,中國的絲綢始終享譽(yù)全球。
腦機接口:將蠶絲蛋白應用于腦電極植入
腦虎科技的“免開(kāi)顱微創(chuàng )植入式高通量柔性腦機接口系統”,是陶虎團隊采用蠶絲蛋白犧牲層自體的微創(chuàng )植入技術(shù),解決了神經(jīng)電極在植入時(shí)產(chǎn)生創(chuàng )傷大的問(wèn)題,只要打一個(gè)不到1毫米的微孔就可以順利植入。
陶虎說(shuō),“蠶絲蛋白天然抗菌、可降解、力學(xué)強度高,相應地以蠶絲蛋白為主體的柔性電極將繼承其自然屬性,在生物相容性、機械強度上要比化工或化學(xué)合成材料制成的電極有優(yōu)勢,這些優(yōu)勢我們也期待在臨床中能夠體現出來(lái)?！?/p>
基于蠶絲蛋白可控降解特性,將電極浸涂蛋白實(shí)現暫時(shí)硬質(zhì)化,植入后蛋白溶解電極恢復柔性,無(wú)需外加引導裝置,實(shí)現電極微創(chuàng )植入。另外,使用神經(jīng)電極精準定位技術(shù),自動(dòng)植入并繞過(guò)血管,從而避免損傷。不僅如此,植入后與大腦組織的排異反應也較小,安全程度明顯超過(guò)Neuralink。
生物儲存:全球首款“蠶絲硬盤(pán)”可植入人體,可控銷(xiāo)毀
蠶絲硬盤(pán),一個(gè)由蠶絲制成的硬盤(pán),作為一種高容量、高可靠性的新型存儲技術(shù),除了能存儲數字信息,還可以用于采集存儲生物信息,同時(shí)存儲人體DNA和血液樣本、疫苗,甚至可以植入生物體。
陶虎將這塊蠶絲蛋白存儲器比作“永不丟失的生命銘牌”和“可控壽命的時(shí)間膠囊”。他表示,蠶絲蛋白被制成硬盤(pán)后,人們想要存儲的信息,可以通過(guò)近場(chǎng)紅外納米光刻系統寫(xiě)入,并用同一套系統讀取。通過(guò)改變寫(xiě)入光的能量,可以調節蠶絲蛋白上加工圖的形貌,從而實(shí)現原位重復擦寫(xiě)。這種存儲器還能按照預設的時(shí)序可控銷(xiāo)毀,從而用于信息保密。目前存儲容量已可達64GB每平方英寸,相當于0.5TB。
2022年初,陶虎再次創(chuàng )新開(kāi)發(fā)出基于蠶絲蛋白的多層級可植入瞬態(tài)存儲器,是柔性電子與可植入器件中的重要組成部分和信息存儲媒介,器件在實(shí)現可控降解的同時(shí),還具備穩定的存儲和加密功能?？蒲行〗M開(kāi)展了小鼠皮下植入實(shí)驗,進(jìn)一步驗證了瞬態(tài)存儲器在體內逐層降解的可行性與生物安全性,證明蠶絲蛋白不會(huì )引起組織免疫反應。
智能傳感器:用蠶絲蛋白做傳感器的基底和封裝材料
陶虎團隊提出了一種基于蠶絲蛋白的生物集成超材料器件,蠶絲蛋白因其機械性能佳、介電損耗小、能可控降解、可兼容大部分微納加工工藝等特點(diǎn),而被用作電子器件的基底和介質(zhì)材料,是目前國際上首個(gè)瞬態(tài)可溶電子微系統的基底和封裝材料。用可降解的鎂、氧化鎂、納米硅膜等半導體功能材料,集成了一系列基本電子元器件。整個(gè)微系統放置在生理鹽水中,大約十分鐘就可溶解完畢。
這類(lèi)器件在信息安全、植入式可控降解生物芯片、電子垃圾回收等領(lǐng)域,具有非常廣闊的應用前景,尤其在健康醫療、環(huán)境保護等未來(lái)電子技術(shù)領(lǐng)域,有望產(chǎn)生顛覆性突破和革命性創(chuàng )新。
基于瞬態(tài)可溶電子技術(shù),還誕生了全球首個(gè)面向特定臨床治療功能、完全生物相容、可在被降解后吸收的植入式器件。它同樣以蠶絲蛋白為襯底材料,可植入生物體皮下用于治療細菌感染。
植入式醫療器械:全球首款蠶絲骨釘天然生物蛋白的骨固定系統
長(cháng)期以來(lái),堅硬的金屬材料,始終是骨折后內固定手術(shù)的金標準?？山到庑Q絲材料的研發(fā)和臨床應用,解決了金屬內固定應力遮擋、二次手術(shù)、偽影干擾的三大缺陷。
空軍軍醫大學(xué)西京醫院雷偉團隊聯(lián)合陶虎團隊,從蠶繭到蠶絲再到蠶絲蛋白溶液、提取成固體,最后用車(chē)床精密加工成骨釘的生物材料,歷經(jīng)5年技術(shù)攻關(guān),成功突破了蠶絲臨床應用的技術(shù)壁壘,研發(fā)出新型可降解蠶絲接骨螺釘。
陶虎介紹,蠶絲蛋白的分子量和結晶水平是影響骨釘力學(xué)性能和降解特性的核心因素。經(jīng)過(guò)近千次試驗的失敗和堅持不懈的調試,終于實(shí)現了硬度與降解性的平衡,達到了體內螺釘固定的要求。
該螺釘是目前全球首款實(shí)現人體內應用的可降解醫用蠶絲骨釘,標志著(zhù)人體內固定領(lǐng)域開(kāi)啟了蠶絲應用的新時(shí)代,未來(lái)還將拓展應用于脊柱外科、神經(jīng)外科、口腔醫學(xué)等諸多領(lǐng)域,惠及更多患者。
近年來(lái),科學(xué)家們基于蠶絲蛋白展開(kāi)了研究,并提出了大量具有高科技含量的新型應用,為傳統材料注入了新的活力。點(diǎn)“絲”成金,蠶絲在高科技的“塑造”下,將為未來(lái)智能社會(huì )、健康醫療、環(huán)境保護等技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)革命性創(chuàng )新。
