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圖片新聞
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2017-10-30
作者: 發(fā)布: 2026-01-28
近日，北京航空航天大學機械工程及自動化學院徐曄教授團隊與醫(yī)學科學與工程學院常凌乾教授團隊合作，在國際頂級學術期刊《Cell》發(fā)表柔性生物電子功能器件方向重要研究成果。這是北航作為第一完成單位在《Cell》上發(fā)表的首篇論文，標志著學院在醫(yī)工交叉研究方向取得了重要突破。
團隊提出了基于“剪紙結構力學”的器官定制化共形理論，并構建出一款柔性高共形生物電子器件，實現(xiàn)了與復雜器官表面的精準貼合與高效藥物/基因遞送。研究成果以“An organ-conformal, kirigami-structured bioelectronic patch for precise intracellular delivery”為題，于2026年1月27日發(fā)表于《Cell》。
該研究由徐曄教授與常凌乾教授聯(lián)合指導，機械學院博士研究生杜臘梅（現(xiàn)為河北工業(yè)大學生命科學與健康學院講師）為共同第一作者。合作單位包括北京大學第一醫(yī)院、香港城市大學、美國伊利諾伊大學香檳分校等國內外知名科研機構。本研究的作者還包括我院張秋婷教授（國家級青年人才）和楊紹華博士（“卓越百人”博士后）。
面向復雜器官遞送挑戰(zhàn)，亟需高共形柔性解決方案
在腫瘤及其他重大疾病的治療中，實現(xiàn)對病變器官表面的局部精準干預，是提升療效、降低毒副作用的關鍵。以卵巢疾病治療為例，攜帶BRCA1等遺傳突變的卵巢癌高危女性患者，為降低癌變風險，目前臨床普遍建議手術切除器官，但這將導致患者永久喪失生育功能。傳統(tǒng)全身性給藥或基因遞送方法（如口服、注射）常因路徑長、靶向性差，往往療效有限，甚至可能誤傷周圍正常細胞。即便如納米電穿孔等局部物理遞送技術，也因器件與組織表面共形貼合能力不足，難以在復雜器官表面實現(xiàn)安全、高效的全覆蓋精準干預，更無法有效規(guī)避對正常細胞的干擾，存在效率低、風險高的瓶頸。因此，開發(fā)兼具高度共形貼合與精準遞送功能的生物電子器件，成為臨床治療的迫切需求。
汲取“剪紙藝術”靈感，建立器官定制共形理論
面對這一核心需求，徐曄教授團隊基于旋轉剛性負泊松比結構單元構建的剪紙超材料，創(chuàng)造性提出“器官定制化剪紙共形設計理論”。該理論首次以“有效面積覆蓋率”為核心優(yōu)化指標，建立起器件剪紙結構單元幾何參數、材料力學屬性與器官曲率之間的定量構效關系。通過對任意器官進行三維掃描建模，該共形理論可給出最優(yōu)剪紙結構參數，實現(xiàn)剪紙結構與功能之間的最佳平衡?；谠摾碚?，研究團隊針對卵巢、腎臟等多種靶器官，定制化設計了相應的剪紙結構貼片，使其在器官復雜曲面上實現(xiàn)自適應貼合與功能最大化。研究結果表明，定制化設計的剪紙貼片在不同器官表面的有效共形覆蓋率均超過95%，有效突破了傳統(tǒng)柔性貼片“共形性與功能區(qū)保留不可兼得”的設計難題。
圖1 基于剪紙結構力學的曲面共形貼敷理論與設計準則
微納加工打造器官的“電子外衣”
依托該理論，研究團隊構建出一種具備多層功能結構的柔性“電子外衣”——POCKET器件。其關鍵結構包括納米孔陣列膜、水凝膠儲藥層、銀納米線電極層及柔性封裝層，整體通過飛秒激光進行精細剪紙圖案加工，實現(xiàn)在卵巢、腎臟等器官表面的高度共形、高覆蓋率的貼合。該器件能夠在電場作用下，通過底層納米孔陣列與目標細胞精準的空間對位，產生電場聚焦效應，繼而接觸“納米電穿孔”機制，有效打開細胞膜，并驅動藥物或基因負載的高速進入細胞，大幅提升細胞內遞送效率和空間精度。
圖2 定制化共形POCKET器件實現(xiàn)器官復雜表面的高覆蓋率共形貼敷
生物療效驗證：從卵巢防癌到腎臟修復
研究團隊在多種動物模型和人類離體組織中驗證了POCKET器件的適用性。在卵巢癌預防模型中，器件實現(xiàn)了對表層體細胞的精準基因遞送，有效降低了DNA損傷水平并保留了生殖功能。在腎臟損傷模型中，器件完成了抗炎藥物的局部遞送，促進器官修復，同時顯著降低了傳統(tǒng)口服藥物帶來的副作用。
圖3 POCKET器件實現(xiàn)卵巢的精準基因治療及時間可控的腎臟長期給藥
學科交叉融合，賦能原創(chuàng)突破
近年來，學院高度重視并持續(xù)支持學科交叉研究，積極推動仿生微納制造、材料加工、機器人等傳統(tǒng)優(yōu)勢學科方向與生命健康領域的深度融合，鼓勵青年學者開展跨學科合作，孵化原創(chuàng)性科研成果。本研究充分體現(xiàn)了柔性結構力學、微納制造與生物醫(yī)學的深度融合，為復雜組織界面問題提供了機械工程與力學學科的創(chuàng)新視角。
徐曄教授團隊長期聚焦軟物質與生物表界面力學，在本研究中通過“剪紙結構設計”方法，展現(xiàn)了軟物質與柔性結構力學在醫(yī)學器械發(fā)展中的獨特價值。本研究工作始于2021年暑假期間與常凌乾教授團隊的跨學科研討，隨后組建聯(lián)合團隊歷時四年多的持續(xù)探索與攻關，期間克服了多個關鍵技術瓶頸，最終實現(xiàn)重大突破。該成果不僅為臨床基因治療和藥物遞送開辟了新路徑，也為器官電子接口、再生修復等領域提供了堅實的理論基礎與先進的技術方案。
論文鏈接：Wang et al., 2026, Cell 189, 1–22; https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.12.021
共同通訊作者：
徐曄，北京航空航天大學機械工程及自動化學院教授，國家級青年人才，現(xiàn)任北航中西智能學院院長。長期從事軟物質與生物表界面力學及智能柔性復合材料領域的交叉學科研究，主持多項國家自然科學基金項目及國家科技重大專項課題，以第一作者或通訊作者身份發(fā)表Cell、PNAS、Science Advances、Advanced Functional Materials等期刊論文40余篇。
共同第一作者：
杜臘梅，博士畢業(yè)于北京航空航天大學機械工程及自動化學院，導師為徐曄教授。現(xiàn)為河北工業(yè)大學生命科學與健康學院“元光學者”，碩士生導師，研究方向為柔性力學超材料結構設計、功能復合超材料。近五年在Cell、Advanced Functional Materials、ACS Nano等發(fā)表SCI論文5篇。
共同作者：
張秋婷，北京航空航天大學機械工程及自動化學院教授，國家級青年人才。主要從事表界面力學、仿生功能表面、智能軟材料等的理論和應用研究，其中包括基于薄膜失穩(wěn)的多功能微納表面制造及柔性電子材料制備、智能折紙/剪紙超材料應用于軟體機器人、生物傳感與貼片等領域。近年來在PNAS、JMPS、Adv. Funct. Mater.等頂級學術期刊上共發(fā)表SCI論文30余篇。主持國家自然科學基金青年基金、“敢為”重點項目等。
楊紹華，博士畢業(yè)于北京航空航天大學機械工程及自動化學院，師從徐曄教授，期間獲國家留學基金委（CSC）資助赴蘇黎世聯(lián)邦理工學院聯(lián)合培養(yǎng)。現(xiàn)為北航“卓越百人”博士后，合作導師為陳華偉教授，主要從事軟物質力學領域研究，研究方向聚焦于軟材料界面接觸與粘附的微細觀力學機制、水凝膠冷凍損傷機理等方面，相關研究成果已發(fā)表于Science Advances，Extreme Mechanics Letters等期刊。
