奇物论联合纳米人编辑部对2020年国内外重要科研团队的代表性成果进行了梳理，今天，我们要介绍的是东南大学/鼓楼医院赵远锦教授。

赵远锦，教授，博导，国家“万人计划”科技领军人才，英国皇家化学会(RSC) Fellow。该课题组致力于生物材料与组织工程、仿生器官与器官芯片、微流控等领域。已发表Nature / Science子刊、PNAS、Adv.Mater. 、JACS、Angew等SCI论文220余篇，被引用8000余次（H因子为47）；

目前，赵远锦课题组的研究方向有：

1.具有微观结构的生物医学材料：

2.仿生智能界面材料：

3.仿生器官芯片：

以下，奇物论编辑部对赵远锦教授课题组在2020年发表的研究成果进行归纳，供大家学习和交流

以下按照四部分展开：

Part 1：仿生结构色材料

Part 2：医用贴片

Part 3：仿生软机器人

Part 4：其他

一、仿生结构色材料

1. Science Advances：具有各向异性表面粘附的仿生结构色贴片

贴片在组织修复和再生方面有着广泛的应用，在临床医学中起着重要地位。于此，受生物界面中不同的粘附、抗粘附和响应性结构颜色现象的启发，赵远锦等人提出了一种混合水凝胶膜，该膜具有粘性聚多巴胺（PDA）层和抗粘性聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGDA）层在反蛋白石支架中。

结果表明，所制备的水凝胶膜可作为一种功能性组织贴片，在一个表面具有良好的粘附性能，用于修复损伤组织，在另一个表面具有抗粘附性能，可防止不良粘附。此外，由于贴片具有响应性的结构颜色，因此贴片具有自我报告的机械性能，能够提供实时的颜色传感反馈，以监测心跳活动。此外，PDA上的邻苯二酚基团赋予该贴片高组织粘附性和体内自愈能力。这些特性使得生物启发贴片在生物医学应用中具有很大的潜力。

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：胶体相分离产生的各向异性结构色颗粒

结构色材料因其独特的性能而被研究了几十年。这一领域的影响是发展具有新成分、新结构、新形貌的功能结构彩色材料的趋势。于此，赵远锦等人发现液滴中共组装的氧化石墨烯（GO）和胶体纳米粒子可以形成组分相分离，从而可以获得具有半球形胶体晶簇和扁圆GO组分的各向异性结构彩色粒子（SCPs）。

各向异性SCPs及其反蛋白石水凝胶衍生物由于其特殊的结构、形态和组分，具有鲜明的结构色彩和可控的固定、定位、取向甚至响应能力。研究人员还证明了具有这些特性的各向异性水凝胶scp是动态细胞监测和传感的理想候选材料。这些性质表明各向异性SCPs及其衍生物在生物医学领域具有巨大的潜在应用价值。

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:仿生导电纤维素液晶水凝胶作为多功能电子皮肤

赵远锦等人提出了一种基于羟丙基纤维素复合水凝胶的电子皮肤（E-皮肤），其具有稳定的胆甾型液晶结构和明亮的结构颜色。由于利用了具有多种响应能力的复合水凝胶作为主要构成要素，因此E皮肤可以响应压力、张力和温度，并通过内部结构变化引起的颜色迁移对这些外部刺激进行光学感应。通过添加碳纳米管，复合水凝胶可以同时输出这些刺激作为电信号。由于这种双重刺激机制，电子皮肤在医疗保健和可变设备方面具有很大的研究价值。

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：自带颜色传感系统允许对细胞进行实时可观察的功能变化

以干细胞为基础的体外分化疾病模型对于探索多种类型心肌病和先天性心脏病的分子和功能基础具有重要价值。然而，在人诱导多能干细胞（hiPSC）衍生心肌细胞（hiPSC-CMs）的体外分化应用中，一个主要的警告是CMs的不成熟表型。现有的方法大多需要复杂的仪器和繁琐的程序来监测心脏的分化/成熟过程，并且常常导致细胞死亡。于此，上海交通大学付炜、Wei Wang和南京大学医学院附属鼓楼医院赵远锦等人开发了一种利用微槽结构彩色甲基丙烯酸明胶薄膜的固有彩色传感系统，可以实时监测hiPSC衍生心脏祖细胞的心脏分化过程。

本文要点：

1）该系统可作为检测系统，实时监测药物治疗引起的hiPSC-CMs的功能变化，其影响可通过颜色多样性简单地显示出来。

2）对心脏早期分化的研究表明，通过简单的生理干预可以在一定程度上促进心脏分化。该系统还简化了以前复杂的实验过程，评估成功的分化和药物治疗的生理效应，并为将来的转化应用奠定了坚实的基础。

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：生物启发的可拉伸、粘合和导电结构彩色薄膜，用于视觉柔性电子产品

柔性电子器件的迅速发展引起了人们极大的兴趣，如健康监测设备、传感皮肤、植入式仪器等。有鉴于此，南京大学医学院附属鼓楼医院的赵远锦等研究人员，从贻贝的粘附特性和变色龙的变色机理出发，提出了一种新颖的可拉伸、可粘合、可导电的结构彩色薄膜。

本文要点

1）将导电碳纳米管聚多巴胺（PDA）填料加入弹性聚氨酯（PU）反蛋白石支架中制备薄膜。由于PU层具有优异的柔韧性和反蛋白石结构，薄膜具有稳定的拉伸性能和鲜明的结构色彩。

2）此外，PDA上的邻苯二酚基团使PDA膜具有较高的组织粘附性和自愈能力。值得注意的是，由于其响应性，合成的胶片具有对运动做出响应的变色能力，可作为双信号软人体运动传感器，用于实时颜色传感和电信号监测。

这些特性使得基于生物的水凝胶电子学在柔性电子学领域极具潜力。

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:腔形结构的颜色条形码微马达，用于多重分析

人工微马达在生物医学领域有着广泛的应用价值。开发这项技术的尝试倾向于赋予微马达新的功能，以提高其价值。于此，赵远锦等人提出了用于多重测定的新型结构性颜色条形码微马达。

本文要点：

1）研究人员发现，通过快速提取溶剂，将单分散的纳米颗粒组装在液滴中，可以形成气孔细胞胶体晶体簇，不仅由于纳米颗粒排列有序，呈现出显著的结构色和特征反射峰，同时也为功能元件的集成提供了有效的空腔。因此，利用铂和氧化铁分散的预凝胶填充和复制口腔型结构胶状晶簇，可以获得空腔中含有催化剂或磁性元件以及相应结构颜色编码的微马达。

2）已经证明，这些结构的彩色条形码微马达的自我运动可以有效地加快检测样品的混合速度，并大大增加探针与目标之间的相互作用，从而实现更快、更灵敏的单一或多重检测，而这些条码微马达的磁性使得微马达的采集更加灵活，方便了检测过程。这些特性使得腔性结构彩色条形码微马达成为生物医学应用的理想选择。

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：用于心肌细胞监测的石墨烯杂化各向异性结构彩色薄膜

基于微流控平台的心脏芯片可以在微米水平模拟心脏的结构和功能，弥补机体与体外实验之间的差距。在此，东南大学赵远锦研究团队联合南京大学医学院附属鼓楼医院孙凌云研究团队设计了一种集成了还原氧化石墨烯(rGO)混合各向异性结构彩色膜的新型心脏芯片系统，并将其用于心脏传感和评估。这种杂化各向异性薄膜是基于聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA)和甲基丙烯酸明胶(GelMA)相反的粘附性能构建的。

低黏附率的PEGDA区域具有反蛋白石结构和特定的反射峰，而具有高黏附率、微槽状rGO掺杂的GelMA区域则为心肌细胞提供了良好的生长环境和诱导取向特性。得益于该设计，培养的心肌细胞只粘附在特定区域，而不影响结构彩色膜的表面微观结构。当心肌细胞恢复搏动时，其伸长和收缩会拉伸PEGDA的结构，导致颜色的改变，从而实现从微观力学到宏观光学的转变。综上所述，基于各向异性结构的彩色水凝胶和微流体的心脏芯片系统可为心脏传感提供一种显著的可视化方法，这在心脏病理生理研究和体外药物检测中具有重要意义。

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、医用贴片

8. AS: 微流控印刷的滑润纺织品用于医用伤口引流

具有特定润湿性的表面材料在环境保护和生物医学等领域发挥着重要作用。于此，赵远锦等人提出了一种具有光滑液体注入多孔表面的3D小滴传输超细纤维纺织品，用于伤口周围的医疗引流。这种纺织品是通过使用一种简单的毛细管微流控印刷方法来制造的，这种方法可以连续地纺制具有液体石蜡注入多孔表面的聚氨酯微纤维，并将其印刷成三维结构。

由于微纤维具有特殊的表面多孔结构和油包封性，水滴不仅可以在简单的单纤维、双纤维或多纤维体系中，而且可以通过微流控三维打印在立体织物中进行无损、快速的传输。基于这一特点，证明了三维光滑超细纤维织物结合真空封闭引流疗法可显著提高伤口渗出物引流效率，减少组织损伤，延长多功能伤口管理的有效使用寿命。因此，认为超细纤维湿滑纺织品具有潜在的临床应用价值。

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: 负载黑磷的可分离微针作为伤口愈合的响应性氧气输送载体

氧气载体在生物医学研究和临床应用中引起了广泛的兴趣，例如伤口愈合，替代性输血和急性创伤治疗。为了满足特定的要求，人们已经致力于生产具有特殊功能和特性的氧气载体。有鉴于此，南京大学医学院的赵远锦和孙凌云设计了负载黑磷（BP）的可分离的响应性微针（MNs），此微针具有携氧能力和可控的输氧能力，可促进伤口愈合。

本文要点

1）将明胶甲基丙烯酰基（GelMA），2-羟基-2-甲基苯乙酮（HMPP），黑磷量子点（BP QDs）和血红蛋白（Hb）在去离子水中混合在一起以制备针尖溶液，聚乙酸乙烯酯（PVA）作为背衬溶液。然后通过两步模板复制方法制造了这种微针。在此过程中，首先通过离心将微针模板装满针尖材料溶液。在去除多余的并固化尖端后，添加背衬层材料的溶液PVA覆盖尖端。最后，可以通过脱模获得完整的微针补丁。

2）PVA具有快速溶解性的优点，因此很快MNs应用于皮肤后消失，并且无细胞毒性，生物相容性的GelMA尖端留在皮肤内部。此外，由于BP QDs的出色的光热效应和Hb的可逆氧结合特性，近红外线照射后皮肤的局部温度将升高，导致响应性的氧释放。微针在治疗Ⅰ型糖尿病大鼠模型的全层皮肤伤口方面显示出令人满意的实用效果，这表明它们在伤口愈合和相关生物医学领域中具有广阔的前景。

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、仿生软机器人

10. Chem. Soc. Rev：活细胞驱动的生物混合型机器人研究进展

南京大学孙凌云教授、中科院物理研究所叶方富研究员和东南大学赵远锦教授对活细胞驱动的生物混合型机器人及其应用进展进行了综述介绍。

本文要点：

（1）软机器人可以模拟自然界生物，其在过去的几十年里取得了很大的进展。特别是将活细胞与软材料相结合而构建的生物混合机器人，它可以模拟人体组织或器官的构造和功能，因此也引起了研究人员广泛的关注和研究兴趣。

（2）作者在文章中介绍了有关生物混合机器人与各种生物驱动器相关的研究进展，并对控制生物混合机器人的方法和其运动方式进行了阐述和总结；随后介绍了生物混合机器人的应用，特别是在生物医学领域的应用，包括药物递送、生物成像和组织工程等，并对生物混合机器人的未来发展进行了展望。

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: 心肌细胞驱动的生物启发式软机器人毛毛虫

与传统机器人相比，生物软机器人在执行设计的生物医学任务方面具有优势，因此引起了广泛的关注和研究。于此，受蛇和毛毛虫的爬行机制的启发，赵远锦等人提出了一种由不对称爪、碳纳米管（CNT）诱导的心肌组织层和结构颜色指示剂组成的新型生物软机器人。

不对称的爪子可以帮助整个软机器人在心肌细胞的收缩过程中完成定向运动。CNT层的定向行为可以调节心肌细胞的排列并改善其跳动能力和收缩性能。然而，结构颜色指示器提供了一种可视化的监视方法，可以动态并立即反映出生物软机器人的运动状态。通过这三个功能层，心肌细胞驱动的软机器人可以极大地模拟毛毛虫的爬行行为。结果表明，通过将这些软机器人集成到具有多轨道结构的微流控芯片系统中，它们可以沿着轨道运行，并根据轨道中的刺激浓度表现出不同的运行速度。这些功能表明了心肌细胞驱动的软机器人的潜在价值，可为临床疾病提供有效的筛查平台。

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: 受生物启发的可编程润湿性阵列，用于液滴操作

液滴操纵在各个领域的潜在应用受到了极大的关注和研究。润湿性表面，尤其是可调节的润湿性表面，是控制液滴固定和滑动的有效方法。但是，这些表面仅表现出均匀的润湿性控制行为，因此难以将液滴精确地操纵到某个位置或多个位置。于此受分布在植物上的气孔的微观结构的启发，，赵远锦等人提出了使用微流乳化模板对液滴进行处理的可编程润湿性阵列。基于智能复合系统，已经证明了可控液滴在可编程的润湿路径上滑动以及有效的液滴转移，并通过掩模集成进行印刷。

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：多级分子印迹多孔颗粒用于仿生肾脏清洗

通过吸附过多的生物分子来净化血液对维持人体健康来说至关重要。东南大学赵远锦教授和复旦大学商珞然研究员受到肾脏自净过程的启发，将多级分子印迹反蛋白石颗粒与鱼脊形微流控芯片相集成，以用于实现高效的生物分子清洗。

本文要点：

（1）该粒子的表面和内部具有可结合的多孔结构，能够特异性识别小分子和生物大分子。鱼脊形微流控芯片的存在则会大大的提高其吸附效率。

（2）此外，该粒子的反蛋白石骨架可以增强其光学传感能力，进而能够自行报告吸附状态。得益于这些特点，再加上其具有可重复使用性、良好的生物安全性和生物相容性，因此该平台有望在临床血液净化和构建人工肾脏等方面发挥重要作用。

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：仿生润滑剂药物递送颗粒用于治疗骨关节炎

骨关节炎是一种慢性、不可逆的退行性疾病，常发生在中老年人群中。目前，在关节内注射药物等许多临床治疗方法已被广泛应用于治疗骨关节炎，但这些方法仍都存在有诸多的弊病。深圳大学倪东教授、孔湉湉副教授和东南大学赵远锦教授受天然生物相容性润滑剂物质透明质酸(HA)的启发，开发了一种可对病理状态做出响应的新型仿生润滑剂药物载体，并将其用于治疗骨关节炎。

本文要点：

（1）实验将对温度响应的水凝胶构建成具有反蛋白石结构的微球支架以提高载药效率，并将HA作为载体以封装药物。由于该支架的独特性能，当运动中的关节腔内温度升高或发生骨关节炎时，负载的润滑剂和封装的药物会被释放出来。

（2）相反，当关节炎有所缓解或运动停止时，药物释放系统将会关闭，药物释放过程也将停止。因此，这一研究工作所设计的微载体具有智能释放药物和润滑剂以治疗骨关节炎的能力，其在生物医学领域也有着广泛的应用潜力。

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复合材料用于高效红外光催化光热水分解

红外光在自然光中占据了50 %的量，在光催化反应中，红外光长久以来一直被忽略。这是因为红外光激发的光生载流子通常体现出比较强的pyroelectric（热电）效应，光催化反应活性较弱。南京工业大学寇佳慧和陆春华、东南大学赵远锦、南京大学合作设计了一种新型半浸式（semi-immersion type）收集热的光催化反应超细纤维系统（microfiber system）。这种催化剂体系由聚偏二氟乙烯-共六氟丙烯（poly(vinylidene fluoride‐co‐hexafluropropylene (PVDF‐HFP)），碳纳米管（CNT）光热材料，CdS光催化剂三组分构成，这种复合结构实现了改善红外光中的光催化分解水活性。通过瞬态光电流、电化学阻抗谱、时间分辨荧光谱、热电谱对材料的进行表征，并测试了不同组成的复合材料红外光光催化分解水性能进行表征。

本文要点：

（1）制备了复合结构的PVDF-HFP/CNT/CdS催化剂，XRD测试显示了β相PVDF-HFP，立方相的CdS和（002）晶面的CNT。对复合结构材料的UVVIS进行了测试，250~800 nm范围内体现连续光吸收，在>800 nm以上的近红外区间展现80 %以上的光吸收，说明材料的光热效应较高。材料在550 nm附近展现了吸收峰，代表了CdS的光吸收。通过TEM对CdS、CNT的结构进行表征。通过压电显微镜（Piezoelectric force microscopy (PFM)）对材料的铁电性能进行表征。复合结构材料的铁电性能比未加入CNT的材料更高，说明CNT能有效的改善材料的铁电性能（这是由于CNT的优良导电性导致）。

（2）通过在PVDFHFP/CNT/CdS上负载Pt，随后对材料的红外光催化分解水性能进行表征。调节CNT的含量（0~10 %），发现在CNT加入含量为5 %时，材料的分解水活性最高。对复合结构催化剂的量子效率进行表征，发现5 %CNT的催化剂量子效率最高（16.9 %），体现了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

个人简介：

赵远锦，于2006年获得东南大学临床医学学士学位；2009年到2010年到哈佛大学David A. Weitz 教授（美国三院院士）团队学习；2011年毕业于东南大学，获工学博士学位。2015年破格晋升为研究员、特聘教授。2016年入选“江苏省333高层次人才培养工程”；2017年入选“中国新锐科技人物”；2018年入选英国皇家化学会(RSC)的Fellow、科技部中青年科技领军人才；2019年入选国家“万人计划”科技创新领军人才；2020年获“中国化学会-杰出青年科学家奖”。

现在的主要研究方向有生物材料与组织工程、仿生器官与器官芯片、微流控等。已发表SCI论文220余篇，其中80余篇发表于IF大于10的国际权威期刊，论文IF之和约2000，被引用7700余次（H因子为46）；第一作者/通讯作者论文包括7篇Nature / Science子刊、4篇PNAS、16篇Adv.Mater. / JACS / Angew、以及Chem.Rev. / Chem.Soc.Rew. / Accounts等；研究成果共申请专利102项，获授权41项，转让2项。

课题组网站：http://www.zhaoyuanjin.com/