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2018-05-15
作者: 發(fā)布: 2026-01-28
近日，北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院徐曄教授團(tuán)隊(duì)與醫(yī)學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院常凌乾教授團(tuán)隊(duì)合作，在國際頂級(jí)學(xué)術(shù)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(biāo)志著學(xué)院在醫(yī)工交叉研究方向取得了重要突破。
團(tuán)隊(duì)提出了基于“剪紙結(jié)構(gòu)力學(xué)”的器官定制化共形理論，并構(gòu)建出一款柔性高共形生物電子器件，實(shí)現(xiàn)了與復(fù)雜器官表面的精準(zhǔn)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(dǎo)，機(jī)械學(xué)院博士研究生杜臘梅（現(xiàn)為河北工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與健康學(xué)院講師）為共同第一作者。合作單位包括北京大學(xué)第一醫(yī)院、香港城市大學(xué)、美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校等國內(nèi)外知名科研機(jī)構(gòu)。本研究的作者還包括我院張秋婷教授（國家級(jí)青年人才）和楊紹華博士（“卓越百人”博士后）。
面向復(fù)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(shí)現(xiàn)對(duì)病變器官表面的局部精準(zhǔn)干預(yù)，是提升療效、降低毒副作用的關(guān)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(fēng)險(xiǎn)，目前臨床普遍建議手術(shù)切除器官，但這將導(dǎo)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(xì)胞。即便如納米電穿孔等局部物理遞送技術(shù)，也因器件與組織表面共形貼合能力不足，難以在復(fù)雜器官表面實(shí)現(xiàn)安全、高效的全覆蓋精準(zhǔn)干預(yù)，更無法有效規(guī)避對(duì)正常細(xì)胞的干擾，存在效率低、風(fēng)險(xiǎn)高的瓶頸。因此，開發(fā)兼具高度共形貼合與精準(zhǔn)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(shù)”靈感，建立器官定制共形理論
面對(duì)這一核心需求，徐曄教授團(tuán)隊(duì)基于旋轉(zhuǎn)剛性負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)單元構(gòu)建的剪紙超材料，創(chuàng)造性提出“器官定制化剪紙共形設(shè)計(jì)理論”。該理論首次以“有效面積覆蓋率”為核心優(yōu)化指標(biāo)，建立起器件剪紙結(jié)構(gòu)單元幾何參數(shù)、材料力學(xué)屬性與器官曲率之間的定量構(gòu)效關(guān)系。通過對(duì)任意器官進(jìn)行三維掃描建模，該共形理論可給出最優(yōu)剪紙結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)剪紙結(jié)構(gòu)與功能之間的最佳平衡。基于該理論，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)卵巢、腎臟等多種靶器官，定制化設(shè)計(jì)了相應(yīng)的剪紙結(jié)構(gòu)貼片，使其在器官復(fù)雜曲面上實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)貼合與功能最大化。研究結(jié)果表明，定制化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)難題。
圖1 基于剪紙結(jié)構(gòu)力學(xué)的曲面共形貼敷理論與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
微納加工打造器官的“電子外衣”
依托該理論，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建出一種具備多層功能結(jié)構(gòu)的柔性“電子外衣”——POCKET器件。其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)包括納米孔陣列膜、水凝膠儲(chǔ)藥層、銀納米線電極層及柔性封裝層，整體通過飛秒激光進(jìn)行精細(xì)剪紙圖案加工，實(shí)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(biāo)細(xì)胞精準(zhǔn)的空間對(duì)位，產(chǎn)生電場聚焦效應(yīng)，繼而接觸“納米電穿孔”機(jī)制，有效打開細(xì)胞膜，并驅(qū)動(dòng)藥物或基因負(fù)載的高速進(jìn)入細(xì)胞，大幅提升細(xì)胞內(nèi)遞送效率和空間精度。
圖2 定制化共形POCKET器件實(shí)現(xiàn)器官復(fù)雜表面的高覆蓋率共形貼敷
生物療效驗(yàn)證：從卵巢防癌到腎臟修復(fù)
研究團(tuán)隊(duì)在多種動(dòng)物模型和人類離體組織中驗(yàn)證了POCKET器件的適用性。在卵巢癌預(yù)防模型中，器件實(shí)現(xiàn)了對(duì)表層體細(xì)胞的精準(zhǔn)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(jìn)器官修復(fù)，同時(shí)顯著降低了傳統(tǒng)口服藥物帶來的副作用。
圖3 POCKET器件實(shí)現(xiàn)卵巢的精準(zhǔn)基因治療及時(shí)間可控的腎臟長期給藥
學(xué)科交叉融合，賦能原創(chuàng)突破
近年來，學(xué)院高度重視并持續(xù)支持學(xué)科交叉研究，積極推動(dòng)仿生微納制造、材料加工、機(jī)器人等傳統(tǒng)優(yōu)勢學(xué)科方向與生命健康領(lǐng)域的深度融合，鼓勵(lì)青年學(xué)者開展跨學(xué)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(jié)構(gòu)力學(xué)、微納制造與生物醫(yī)學(xué)的深度融合，為復(fù)雜組織界面問題提供了機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)科的創(chuàng)新視角。
徐曄教授團(tuán)隊(duì)長期聚焦軟物質(zhì)與生物表界面力學(xué)，在本研究中通過“剪紙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”方法，展現(xiàn)了軟物質(zhì)與柔性結(jié)構(gòu)力學(xué)在醫(yī)學(xué)器械發(fā)展中的獨(dú)特價(jià)值。本研究工作始于2021年暑假期間與常凌乾教授團(tuán)隊(duì)的跨學(xué)科研討，隨后組建聯(lián)合團(tuán)隊(duì)歷時(shí)四年多的持續(xù)探索與攻關(guān)，期間克服了多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，最終實(shí)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(fù)等領(lǐng)域提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)與先進(jìn)的技術(shù)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(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院教授，國家級(jí)青年人才，現(xiàn)任北航中西智能學(xué)院院長。長期從事軟物質(zhì)與生物表界面力學(xué)及智能柔性復(fù)合材料領(lǐng)域的交叉學(xué)科研究，主持多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目及國家科技重大專項(xiàng)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(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，導(dǎo)師為徐曄教授。現(xiàn)為河北工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與健康學(xué)院“元光學(xué)者”，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槿嵝粤W(xué)超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能復(fù)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(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院教授，國家級(jí)青年人才。主要從事表界面力學(xué)、仿生功能表面、智能軟材料等的理論和應(yīng)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(yīng)用于軟體機(jī)器人、生物傳感與貼片等領(lǐng)域。近年來在PNAS、JMPS、Adv. Funct. Mater.等頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊上共發(fā)表SCI論文30余篇。主持國家自然科學(xué)基金青年基金、“敢為”重點(diǎn)項(xiàng)目等。
楊紹華，博士畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，師從徐曄教授，期間獲國家留學(xué)基金委（CSC）資助赴蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)?，F(xiàn)為北航“卓越百人”博士后，合作導(dǎo)師為陳華偉教授，主要從事軟物質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域研究，研究方向聚焦于軟材料界面接觸與粘附的微細(xì)觀力學(xué)機(jī)制、水凝膠冷凍損傷機(jī)理等方面，相關(guān)研究成果已發(fā)表于Science Advances，Extreme Mechanics Letters等期刊。
