基礎(chǔ)科學(xué)是技術(shù)進步的引領(lǐng)者,基礎(chǔ)研究更是0-1的原始創(chuàng)新。
中科院上海微系統(tǒng)所的陶虎點“絲”成金,將一直被視為絲織品原料的蠶絲開發(fā)為優(yōu)秀的數(shù)據(jù)存儲介質(zhì),并將蠶絲從傳統(tǒng)紡織材料轉(zhuǎn)化為高科技、高附加值的信息功能材料和高端醫(yī)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(yī)療器械等開展深入研究,開發(fā)出瞬態(tài)可溶電子、蠶絲硬盤、生物保鮮和可控降解蠶絲骨釘?shù)纫幌盗星把丶夹g(shù)。
蠶絲是人類最早利用的一種動物纖維,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(jié)成的,長度一般2.5~4.5厘米,直徑1.5~2.5厘米,重量為0.2~0.5克,一個蠶繭所包含的蠶絲長度多在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,可以用來做絲織品,中國的絲綢始終享譽全球。
腦機接口:將蠶絲蛋白應(yīng)用于腦電極植入
腦虎科技的“免開顱微創(chuàng)植入式高通量柔性腦機接口系統(tǒng)”,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)電極在植入時產(chǎn)生創(chuàng)傷大的問題,只要打一個不到1毫米的微孔就可以順利植入。
陶虎說,“蠶絲蛋白天然抗菌、可降解、力學(xué)強度高,相應(yīng)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(xiàn)出來。”
基于蠶絲蛋白可控降解特性,將電極浸涂蛋白實現(xiàn)暫時硬質(zhì)化,植入后蛋白溶解電極恢復(fù)柔性,無需外加引導(dǎo)裝置,實現(xiàn)電極微創(chuàng)植入。另外,使用神經(jīng)電極精準定位技術(shù),自動植入并繞過血管,從而避免損傷。不僅如此,植入后與大腦組織的排異反應(yīng)也較小,安全程度明顯超過Neuralink。
生物儲存:全球首款“蠶絲硬盤”可植入人體,可控銷毀
蠶絲硬盤,一個由蠶絲制成的硬盤,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(shù)字信息,還可以用于采集存儲生物信息,同時存儲人體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“可控壽命的時間膠囊”。他表示,蠶絲蛋白被制成硬盤后,人們想要存儲的信息,可以通過近場紅外納米光刻系統(tǒng)寫入,并用同一套系統(tǒng)讀取。通過改變寫入光的能量,可以調(diào)節(jié)蠶絲蛋白上加工圖的形貌,從而實現(xiàn)原位重復(fù)擦寫。這種存儲器還能按照預(yù)設(shè)的時序可控銷毀,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,器件在實現(xiàn)可控降解的同時,還具備穩(wěn)定的存儲和加密功能?？蒲行〗M開展了小鼠皮下植入實驗,進一步驗證了瞬態(tài)存儲器在體內(nèi)逐層降解的可行性與生物安全性,證明蠶絲蛋白不會引起組織免疫反應(yīng)。
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,而被用作電子器件的基底和介質(zhì)材料,是目前國際上首個瞬態(tài)可溶電子微系統(tǒng)的基底和封裝材料。用可降解的鎂、氧化鎂、納米硅膜等半導(dǎo)體功能材料,集成了一系列基本電子元器件。整個微系統(tǒng)放置在生理鹽水中,大約十分鐘就可溶解完畢。
這類器件在信息安全、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(yīng)用前景,尤其在健康醫(yī)療、環(huán)境保護等未來電子技術(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(yī)療器械:全球首款蠶絲骨釘天然生物蛋白的骨固定系統(tǒng)
長期以來,堅硬的金屬材料,始終是骨折后內(nèi)固定手術(shù)的金標準?？山到庑Q絲材料的研發(fā)和臨床應(yīng)用,解決了金屬內(nèi)固定應(yīng)力遮擋、二次手術(shù)、偽影干擾的三大缺陷。
空軍軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)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,最后用車床精密加工成骨釘?shù)纳锊牧?歷經(jīng)5年技術(shù)攻關(guān),成功突破了蠶絲臨床應(yīng)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(jié)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)過近千次試驗的失敗和堅持不懈的調(diào)試,終于實現(xiàn)了硬度與降解性的平衡,達到了體內(nèi)螺釘固定的要求。
該螺釘是目前全球首款實現(xiàn)人體內(nèi)應(yīng)用的可降解醫(yī)用蠶絲骨釘,標志著人體內(nèi)固定領(lǐng)域開啟了蠶絲應(yīng)用的新時代,未來還將拓展應(yīng)用于脊柱外科、神經(jīng)外科、口腔醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域,惠及更多患者。
近年來,科學(xué)家們基于蠶絲蛋白展開了研究,并提出了大量具有高科技含量的新型應(yīng)用,為傳統(tǒng)材料注入了新的活力。點“絲”成金,蠶絲在高科技的“塑造”下,將為未來智能社會、健康醫(yī)療、環(huán)境保護等技術(shù)領(lǐng)域帶來革命性創(chuàng)新。
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