中科院陶虎：蠶絲“跨界”應用 實現從0-1的原始創新

　　基礎科學是技術進步的引領者,基礎研究更是0-1的原始創新。

　　中科院上海微系統所的陶虎點“絲”成金,將一直被視為絲織品原料的蠶絲開發為優秀的數據存儲介質,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。在信息技術和生命科學前沿交叉領域,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展深入研究,開發出瞬態可溶電子、蠶絲硬盤、生物保鮮和可控降解蠶絲骨釘等一系列前沿技術。

　　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:將蠶絲蛋白應用于腦電極植入

　　腦虎科技的“免開顱微創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植入技術,解決了神經電極在植入時產生創傷大的問題,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合成材料制成的電極有優勢,這些優勢我們也期待在臨床中能夠體現出來。”

　　基于蠶絲蛋白可控降解特性,將電極浸涂蛋白實現暫時硬質化,植入后蛋白溶解電極恢復柔性,無需外加引導裝置,實現電極微創植入。另外,使用神經電極精準定位技術,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,除了能存儲數字信息,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寫入,并用同一套系統讀取。通過改變寫入光的能量,可以調節蠶絲蛋白上加工圖的形貌,從而實現原位重復擦寫。這種存儲器還能按照預設的時序可控銷毀,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,陶虎再次創新開發出基于蠶絲蛋白的多層級可植入瞬態存儲器,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,器件在實現可控降解的同時,還具備穩定的存儲和加密功能。科研小組開展了小鼠皮下植入實驗,進一步驗證了瞬態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,而被用作電子器件的基底和介質材料,是目前國際上首個瞬態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。整個微系統放置在生理鹽水中,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、電子垃圾回收等領域,具有非常廣闊的應用前景,尤其在健康醫療、環境保護等未來電子技術領域,有望產生顛覆性突破和革命性創新。

　　基于瞬態可溶電子技術,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。

　　植入式醫療器械:全球首款蠶絲骨釘天然生物蛋白的骨固定系統

　　長期以來,堅硬的金屬材料,始終是骨折后內固定手術的金標準。可降解蠶絲材料的研發和臨床應用,解決了金屬內固定應力遮擋、二次手術、偽影干擾的三大缺陷。

　　空軍軍醫大學西京醫院雷偉團隊聯合陶虎團隊,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的生物材料,歷經5年技術攻關,成功突破了蠶絲臨床應用的技術壁壘,研發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性能和降解特性的核心因素。經過近千次試驗的失敗和堅持不懈的調試,終于實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現人體內應用的可降解醫用蠶絲骨釘,標志著人體內固定領域開啟了蠶絲應用的新時代,未來還將拓展應用于脊柱外科、神經外科、口腔醫學等諸多領域,惠及更多患者。

　　近年來,科學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用,為傳統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、健康醫療、環境保護等技術領域帶來革命性創新。