奇物論聯合納米人編輯部對2020年國內外重要科研團隊的代表性成果進行了梳理，今天，我們要介紹的是東南大學/鼓樓醫院趙遠錦教授。
趙遠錦，教授，博導，國家“萬人計劃”科技領軍人才，英國皇家化學會(RSC) Fellow。該課題組致力于生物材料與組織工程、仿生器官與器官芯片、微流控等領域。已發表Nature / Science子刊、PNAS、Adv.Mater. 、JACS、Angew等SCI論文220余篇，被引用8000余次（H因子為47）；
目前，趙遠錦課題組的研究方向有：
1.具有微觀結構的生物醫學材料：
2.仿生智能界面材料：
3.仿生器官芯片：
以下，奇物論編輯部對趙遠錦教授課題組在2020年發表的研究成果進行歸納，供大家學習和交流
以下按照四部分展開：
Part 1：仿生結構色材料
Part 2：醫用貼片
Part 3：仿生軟機器人
Part 4：其他
一、仿生結構色材料
1. Science Advances：具有各向異性表面粘附的仿生結構色貼片
貼片在組織修復和再生方面有著廣泛的應用，在臨床醫學中起著重要地位。于此，受生物界面中不同的粘附、抗粘附和響應性結構顏色現象的啟發，趙遠錦等人提出了一種混合水凝膠膜，該膜具有粘性聚多巴胺（PDA）層和抗粘性聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGDA）層在反蛋白石支架中。
結果表明，所制備的水凝膠膜可作為一種功能性組織貼片，在一個表面具有良好的粘附性能，用于修復損傷組織，在另一個表面具有抗粘附性能，可防止不良粘附。此外，由于貼片具有響應性的結構顏色，因此貼片具有自我報告的機械性能，能夠提供實時的顏色傳感反饋，以監測心跳活動。此外，PDA上的鄰苯二酚基團賦予該貼片高組織粘附性和體內自愈能力。這些特性使得生物啟發貼片在生物醫學應用中具有很大的潛力。
Wang Y, et al., Bio-inspired structural color patch with anisotropic surface adhesion. Science Advances 2020, 6, eaax8258.
https://advances.sciencemag.org/content/6/4/eaax8258
2. Science Advances：膠體相分離產生的各向異性結構色顆粒
結構色材料因其獨特的性能而被研究了幾十年。這一領域的影響是發展具有新成分、新結構、新形貌的功能結構彩色材料的趨勢。于此，趙遠錦等人發現液滴中共組裝的氧化石墨烯（GO）和膠體納米粒子可以形成組分相分離，從而可以獲得具有半球形膠體晶簇和扁圓GO組分的各向異性結構彩色粒子（SCPs）。
各向異性SCPs及其反蛋白石水凝膠衍生物由于其特殊的結構、形態和組分，具有鮮明的結構色彩和可控的固定、定位、取向甚至響應能力。研究人員還證明了具有這些特性的各向異性水凝膠scp是動態細胞監測和傳感的理想候選材料。這些性質表明各向異性SCPs及其衍生物在生物醫學領域具有巨大的潛在應用價值。
Wang H, et al., Anisotropic structural color particles from colloidal phase separation. Science Advances 2020, 6, eaay1438.
https://advances.sciencemag.org/content/6/2/eaay1438.abstract
3. PNAS:仿生導電纖維素液晶水凝膠作為多功能電子皮膚
趙遠錦等人提出了一種基于羥丙基纖維素復合水凝膠的電子皮膚（E-皮膚），其具有穩定的膽甾型液晶結構和明亮的結構顏色。由于利用了具有多種響應能力的復合水凝膠作為主要構成要素，因此E皮膚可以響應壓力、張力和溫度，并通過內部結構變化引起的顏色遷移對這些外部刺激進行光學感應。通過添加碳納米管，復合水凝膠可以同時輸出這些刺激作為電信號。由于這種雙重刺激機制，電子皮膚在醫療保健和可變設備方面具有很大的研究價值。
Zhuohao Zhang, et al., Bioinspired conductive cellulose liquid-crystal hydrogels as multifunctional electrical skins. PNAS 2020.
https://doi.org/10.1073/pnas.2007032117
4. ACS Nano：自帶顏色傳感系統允許對細胞進行實時可觀察的功能變化
以干細胞為基礎的體外分化疾病模型對于探索多種類型心肌病和先天性心臟病的分子和功能基礎具有重要價值。然而，在人誘導多能干細胞（hiPSC）衍生心肌細胞（hiPSC-CMs）的體外分化應用中，一個主要的警告是CMs的不成熟表型。現有的方法大多需要復雜的儀器和繁瑣的程序來監測心臟的分化/成熟過程，并且常常導致細胞死亡。于此，上海交通大學付煒、Wei Wang和南京大學醫學院附屬鼓樓醫院趙遠錦等人開發了一種利用微槽結構彩色甲基丙烯酸明膠薄膜的固有彩色傳感系統，可以實時監測hiPSC衍生心臟祖細胞的心臟分化過程。
本文要點：
1）該系統可作為檢測系統，實時監測藥物治療引起的hiPSC-CMs的功能變化，其影響可通過顏色多樣性簡單地顯示出來。
2）對心臟早期分化的研究表明，通過簡單的生理干預可以在一定程度上促進心臟分化。該系統還簡化了以前復雜的實驗過程，評估成功的分化和藥物治療的生理效應，并為將來的轉化應用奠定了堅實的基礎。
Yiqi Gong, et al., Intrinsic Color Sensing System Allows for Real-Time Observable Functional Changes on Human Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiomyocytes. ACS Nano 2020.
DOI: 10.1021/acsnano.0c01745
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.0c01745
5. AFM：生物啟發的可拉伸、粘合和導電結構彩色薄膜，用于視覺柔性電子產品
柔性電子器件的迅速發展引起了人們極大的興趣，如健康監測設備、傳感皮膚、植入式儀器等。有鑒于此，南京大學醫學院附屬鼓樓醫院的趙遠錦等研究人員，從貽貝的粘附特性和變色龍的變色機理出發，提出了一種新穎的可拉伸、可粘合、可導電的結構彩色薄膜。
本文要點
1）將導電碳納米管聚多巴胺（PDA）填料加入彈性聚氨酯（PU）反蛋白石支架中制備薄膜。由于PU層具有優異的柔韌性和反蛋白石結構，薄膜具有穩定的拉伸性能和鮮明的結構色彩。
2）此外，PDA上的鄰苯二酚基團使PDA膜具有較高的組織粘附性和自愈能力。值得注意的是，由于其響應性，合成的膠片具有對運動做出響應的變色能力，可作為雙信號軟人體運動傳感器，用于實時顏色傳感和電信號監測。
這些特性使得基于生物的水凝膠電子學在柔性電子學領域極具潛力。
Yu Wang, et al. Bio‐Inspired Stretchable, Adhesive, and Conductive Structural Color Film for Visually Flexible Electronics. Advanced Functional Materials, 2020.
DOI：10.1002/adfm.202000151
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202000151
6. NSR:腔形結構的顏色條形碼微馬達，用于多重分析
人工微馬達在生物醫學領域有著廣泛的應用價值。開發這項技術的嘗試傾向于賦予微馬達新的功能，以提高其價值。于此，趙遠錦等人提出了用于多重測定的新型結構性顏色條形碼微馬達。
本文要點：
1）研究人員發現，通過快速提取溶劑，將單分散的納米顆粒組裝在液滴中，可以形成氣孔細胞膠體晶體簇，不僅由于納米顆粒排列有序，呈現出顯著的結構色和特征反射峰，同時也為功能元件的集成提供了有效的空腔。因此，利用鉑和氧化鐵分散的預凝膠填充和復制口腔型結構膠狀晶簇，可以獲得空腔中含有催化劑或磁性元件以及相應結構顏色編碼的微馬達。
2）已經證明，這些結構的彩色條形碼微馬達的自我運動可以有效地加快檢測樣品的混合速度，并大大增加探針與目標之間的相互作用，從而實現更快、更靈敏的單一或多重檢測，而這些條碼微馬達的磁性使得微馬達的采集更加靈活，方便了檢測過程。這些特性使得腔性結構彩色條形碼微馬達成為生物醫學應用的理想選擇。
Cai LJ, et al., Structural color barcode micromotors for multiplex assays. National Science Review 2020, 7, 644-651.
https://academic.oup.com/nsr/advancearticle/doi/10.1093/nsr/nwz185/5625544
7. AFM：用于心肌細胞監測的石墨烯雜化各向異性結構彩色薄膜
基于微流控平臺的心臟芯片可以在微米水平模擬心臟的結構和功能，彌補機體與體外實驗之間的差距。在此，東南大學趙遠錦研究團隊聯合南京大學醫學院附屬鼓樓醫院孫凌云研究團隊設計了一種集成了還原氧化石墨烯(rGO)混合各向異性結構彩色膜的新型心臟芯片系統，并將其用于心臟傳感和評估。這種雜化各向異性薄膜是基于聚乙二醇雙丙烯酸酯(PEGDA)和甲基丙烯酸明膠(GelMA)相反的粘附性能構建的。
低黏附率的PEGDA區域具有反蛋白石結構和特定的反射峰，而具有高黏附率、微槽狀rGO摻雜的GelMA區域則為心肌細胞提供了良好的生長環境和誘導取向特性。得益于該設計，培養的心肌細胞只粘附在特定區域，而不影響結構彩色膜的表面微觀結構。當心肌細胞恢復搏動時，其伸長和收縮會拉伸PEGDA的結構，導致顏色的改變，從而實現從微觀力學到宏觀光學的轉變。綜上所述，基于各向異性結構的彩色水凝膠和微流體的心臟芯片系統可為心臟傳感提供一種顯著的可視化方法，這在心臟病理生理研究和體外藥物檢測中具有重要意義。
Linjie Li, Lingyun Sun, Yuanjin Zhao et al. Graphene Hybrid Anisotropic Structural Color Film for Cardiomyocytes' Monitoring. Adv. Funct. Mater., 2019.
https://doi.org/10.1002/adfm.201906353
二、醫用貼片
8. AS: 微流控印刷的滑潤紡織品用于醫用傷口引流
具有特定潤濕性的表面材料在環境保護和生物醫學等領域發揮著重要作用。于此，趙遠錦等人提出了一種具有光滑液體注入多孔表面的3D小滴傳輸超細纖維紡織品，用于傷口周圍的醫療引流。這種紡織品是通過使用一種簡單的毛細管微流控印刷方法來制造的，這種方法可以連續地紡制具有液體石蠟注入多孔表面的聚氨酯微纖維，并將其印刷成三維結構。
由于微纖維具有特殊的表面多孔結構和油包封性，水滴不僅可以在簡單的單纖維、雙纖維或多纖維體系中，而且可以通過微流控三維打印在立體織物中進行無損、快速的傳輸。基于這一特點，證明了三維光滑超細纖維織物結合真空封閉引流療法可顯著提高傷口滲出物引流效率，減少組織損傷，延長多功能傷口管理的有效使用壽命。因此，認為超細纖維濕滑紡織品具有潛在的臨床應用價值。
Zhang H, et al., Microfluidic printing of slippery textiles for medical drainage around wounds. Advanced Science 2020, 7, 2000789.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202000789
9. ACS Nano: 負載黑磷的可分離微針作為傷口愈合的響應性氧氣輸送載體
氧氣載體在生物醫學研究和臨床應用中引起了廣泛的興趣，例如傷口愈合，替代性輸血和急性創傷治療。為了滿足特定的要求，人們已經致力于生產具有特殊功能和特性的氧氣載體。有鑒于此，南京大學醫學院的趙遠錦和孫凌云設計了負載黑磷（BP）的可分離的響應性微針（MNs），此微針具有攜氧能力和可控的輸氧能力，可促進傷口愈合。
本文要點
1）將明膠甲基丙烯酰基（GelMA），2-羥基-2-甲基苯乙酮（HMPP），黑磷量子點（BP QDs）和血紅蛋白（Hb）在去離子水中混合在一起以制備針尖溶液，聚乙酸乙烯酯（PVA）作為背襯溶液。然后通過兩步模板復制方法制造了這種微針。在此過程中，首先通過離心將微針模板裝滿針尖材料溶液。在去除多余的并固化尖端后，添加背襯層材料的溶液PVA覆蓋尖端。最后，可以通過脫模獲得完整的微針補丁。
2）PVA具有快速溶解性的優點，因此很快MNs應用于皮膚后消失，并且無細胞毒性，生物相容性的GelMA尖端留在皮膚內部。此外，由于BP QDs的出色的光熱效應和Hb的可逆氧結合特性，近紅外線照射后皮膚的局部溫度將升高，導致響應性的氧釋放。微針在治療Ⅰ型糖尿病大鼠模型的全層皮膚傷口方面顯示出令人滿意的實用效果，這表明它們在傷口愈合和相關生物醫學領域中具有廣闊的前景。
Xiaoxuan Zhang et al. Black Phosphorus-Loaded Separable Microneedles as Responsive Oxygen-Delivery Carriers for Wound Healing. ACS Catal. 2020.
DOI: 10.1021/acsnano.0c01059
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.0c01059
三、仿生軟機器人
10. Chem. Soc. Rev：活細胞驅動的生物混合型機器人研究進展
南京大學孫凌云教授、中科院物理研究所葉方富研究員和東南大學趙遠錦教授對活細胞驅動的生物混合型機器人及其應用進展進行了綜述介紹。
本文要點：
（1）軟機器人可以模擬自然界生物，其在過去的幾十年里取得了很大的進展。特別是將活細胞與軟材料相結合而構建的生物混合機器人，它可以模擬人體組織或器官的構造和功能，因此也引起了研究人員廣泛的關注和研究興趣。
（2）作者在文章中介紹了有關生物混合機器人與各種生物驅動器相關的研究進展，并對控制生物混合機器人的方法和其運動方式進行了闡述和總結；隨后介紹了生物混合機器人的應用，特別是在生物醫學領域的應用，包括藥物遞送、生物成像和組織工程等，并對生物混合機器人的未來發展進行了展望。
Lingyu Sun. et al. Biohybrid robotics with living cell actuation. Chemical Society Reviews. 2020
DOI: 10.1039/d0cs00120a
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/cs/d0cs00120a#!divAbstract
11. AFM: 心肌細胞驅動的生物啟發式軟機器人毛毛蟲
與傳統機器人相比，生物軟機器人在執行設計的生物醫學任務方面具有優勢，因此引起了廣泛的關注和研究。于此，受蛇和毛毛蟲的爬行機制的啟發，趙遠錦等人提出了一種由不對稱爪、碳納米管（CNT）誘導的心肌組織層和結構顏色指示劑組成的新型生物軟機器人。
不對稱的爪子可以幫助整個軟機器人在心肌細胞的收縮過程中完成定向運動。CNT層的定向行為可以調節心肌細胞的排列并改善其跳動能力和收縮性能。然而，結構顏色指示器提供了一種可視化的監視方法，可以動態并立即反映出生物軟機器人的運動狀態。通過這三個功能層，心肌細胞驅動的軟機器人可以極大地模擬毛毛蟲的爬行行為。結果表明，通過將這些軟機器人集成到具有多軌道結構的微流控芯片系統中，它們可以沿著軌道運行，并根據軌道中的刺激濃度表現出不同的運行速度。這些功能表明了心肌細胞驅動的軟機器人的潛在價值，可為臨床疾病提供有效的篩查平臺。
Sun LY, et al., Bio-inspired soft robotic caterpillar with cardiomyocyte drivers. Advanced Functional Materials 2019, 30, 1907820.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201907820
12. PNAS: 受生物啟發的可編程潤濕性陣列，用于液滴操作
液滴操縱在各個領域的潛在應用受到了極大的關注和研究。潤濕性表面，尤其是可調節的潤濕性表面，是控制液滴固定和滑動的有效方法。但是，這些表面僅表現出均勻的潤濕性控制行為，因此難以將液滴精確地操縱到某個位置或多個位置。于此受分布在植物上的氣孔的微觀結構的啟發，，趙遠錦等人提出了使用微流乳化模板對液滴進行處理的可編程潤濕性陣列。基于智能復合系統，已經證明了可控液滴在可編程的潤濕路徑上滑動以及有效的液滴轉移，并通過掩模集成進行印刷。
Lingyu Sun, et al., Bioinspired programmable wettability arrays for droplets manipulation. PNAS 2020.
https://doi.org/10.1073/pnas.1921281117
四、其他
13. Adv. Mater：多級分子印跡多孔顆粒用于仿生腎臟清洗
通過吸附過多的生物分子來凈化血液對維持人體健康來說至關重要。東南大學趙遠錦教授和復旦大學商珞然研究員受到腎臟自凈過程的啟發，將多級分子印跡反蛋白石顆粒與魚脊形微流控芯片相集成，以用于實現高效的生物分子清洗。
本文要點：
（1）該粒子的表面和內部具有可結合的多孔結構，能夠特異性識別小分子和生物大分子。魚脊形微流控芯片的存在則會大大的提高其吸附效率。
（2）此外，該粒子的反蛋白石骨架可以增強其光學傳感能力，進而能夠自行報告吸附狀態。得益于這些特點，再加上其具有可重復使用性、良好的生物安全性和生物相容性，因此該平臺有望在臨床血液凈化和構建人工腎臟等方面發揮重要作用。
Hanxu Chen. et al. Hierarchically Molecular Imprinted Porous Particles for Biomimetic Kidney Cleaning. Advanced Materials. 2020
DOI: 10.1002/adma.202005394
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202005394
14. Nanoscale：仿生潤滑劑藥物遞送顆粒用于治療骨關節炎
骨關節炎是一種慢性、不可逆的退行性疾病，常發生在中老年人群中。目前，在關節內注射藥物等許多臨床治療方法已被廣泛應用于治療骨關節炎，但這些方法仍都存在有諸多的弊病。深圳大學倪東教授、孔湉湉副教授和東南大學趙遠錦教授受天然生物相容性潤滑劑物質透明質酸(HA)的啟發，開發了一種可對病理狀態做出響應的新型仿生潤滑劑藥物載體，并將其用于治療骨關節炎。
本文要點：
（1）實驗將對溫度響應的水凝膠構建成具有反蛋白石結構的微球支架以提高載藥效率，并將HA作為載體以封裝藥物。由于該支架的獨特性能，當運動中的關節腔內溫度升高或發生骨關節炎時，負載的潤滑劑和封裝的藥物會被釋放出來。
（2）相反，當關節炎有所緩解或運動停止時，藥物釋放系統將會關閉，藥物釋放過程也將停止。因此，這一研究工作所設計的微載體具有智能釋放藥物和潤滑劑以治療骨關節炎的能力，其在生物醫學領域也有著廣泛的應用潛力。
Lei Yang. et al. Bio-inspired lubricant drug delivery particle for treatment of osteoarthritis. Nanoscale. 2020
DOI: 10.1039/D0NR04013D
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/nr/d0nr04013d#!divAbstract
15. Adv Mater: CNT/CdS復合材料用于高效紅外光催化光熱水分解
紅外光在自然光中占據了50 %的量，在光催化反應中，紅外光長久以來一直被忽略。這是因為紅外光激發的光生載流子通常體現出比較強的pyroelectric（熱電）效應，光催化反應活性較弱。南京工業大學寇佳慧和陸春華、東南大學趙遠錦、南京大學合作設計了一種新型半浸式（semi-immersion type）收集熱的光催化反應超細纖維系統（microfiber system）。這種催化劑體系由聚偏二氟乙烯-共六氟丙烯（poly(vinylidene fluoride‐co‐hexafluropropylene (PVDF‐HFP)），碳納米管（CNT）光熱材料，CdS光催化劑三組分構成，這種復合結構實現了改善紅外光中的光催化分解水活性。通過瞬態光電流、電化學阻抗譜、時間分辨熒光譜、熱電譜對材料的進行表征，并測試了不同組成的復合材料紅外光光催化分解水性能進行表征。
本文要點：
（1）制備了復合結構的PVDF-HFP/CNT/CdS催化劑，XRD測試顯示了β相PVDF-HFP，立方相的CdS和（002）晶面的CNT。對復合結構材料的UVVIS進行了測試，250~800 nm范圍內體現連續光吸收，在>800 nm以上的近紅外區間展現80 %以上的光吸收，說明材料的光熱效應較高。材料在550 nm附近展現了吸收峰，代表了CdS的光吸收。通過TEM對CdS、CNT的結構進行表征。通過壓電顯微鏡（Piezoelectric force microscopy (PFM)）對材料的鐵電性能進行表征。復合結構材料的鐵電性能比未加入CNT的材料更高，說明CNT能有效的改善材料的鐵電性能（這是由于CNT的優良導電性導致）。
（2）通過在PVDFHFP/CNT/CdS上負載Pt，隨后對材料的紅外光催化分解水性能進行表征。調節CNT的含量（0~10 %），發現在CNT加入含量為5 %時，材料的分解水活性最高。對復合結構催化劑的量子效率進行表征，發現5 %CNT的催化劑量子效率最高（16.9 %），體現了1.03 × 103 μmol g?1 h?1的催化效率。
Baoying Dai, et al., Construction of Infrared‐Light‐Responsive Photoinduced Carriers Driver for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Evolution. Adv. Mater. 2020, 32, 1906361.
DOI: 10.1002/adma.201906361
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201906361
個人簡介：
趙遠錦，于2006年獲得東南大學臨床醫學學士學位；2009年到2010年到哈佛大學David A. Weitz 教授（美國三院院士）團隊學習；2011年畢業于東南大學，獲工學博士學位。2015年破格晉升為研究員、特聘教授。2016年入選“江蘇省333高層次人才培養工程”；2017年入選“中國新銳科技人物”；2018年入選英國皇家化學會(RSC)的Fellow、科技部中青年科技領軍人才；2019年入選國家“萬人計劃”科技創新領軍人才；2020年獲“中國化學會-杰出青年科學家獎”。
現在的主要研究方向有生物材料與組織工程、仿生器官與器官芯片、微流控等。已發表SCI論文220余篇，其中80余篇發表于IF大于10的國際權威期刊，論文IF之和約2000，被引用7700余次（H因子為46）；第一作者/通訊作者論文包括7篇Nature / Science子刊、4篇PNAS、16篇Adv.Mater. / JACS / Angew、以及Chem.Rev. / Chem.Soc.Rew. / Accounts等；研究成果共申請專利102項，獲授權41項，轉讓2項。
課題組網站：http://www.zhaoyuanjin.com/
