可定制生物传感器实现多糖基软生物材料与活体组织中应力分布的实时监测

针对多糖基软材料应力分布实时监测的难题，研究人员开发出基于荧光共振能量转移(FRET)和碳水化合物结合模块(CBM)的FTSM-CBM生物传感器。该技术通过简单滴注即可实现水凝胶2D/3D应力分布的半定量检测，并能预警断裂位点、解析微观结构，成功应用于蝗虫跳跃和蝇幼虫运动的力学监测。平台通过更换CBM模块可拓展至多种多糖基质，为生命科学和材料研究提供创新工具。

　　

在自然界和工程应用中，软生物材料如昆虫表皮、植物细胞壁以及医用 hydrogel 扮演着重要角色。这些材料独特的力学性能源于其内部多糖网络结构，但如何实时观测这些材料在受力时的内部应力分布，一直是困扰研究人员的难题。传统技术如原子力显微镜(AFM)只能检测微观尺度力，而数字图像相关(DIC)等技术又难以满足活体检测需求。这种技术空白严重制约了仿生材料设计和生物力学研究的发展。

针对这一挑战，国内研究机构的研究人员开发出一种革命性的FTSM-CBM生物传感器系统。该成果通过将蜘蛛丝弹性蛋白与特异性多糖结合模块融合，首次实现了对多糖基材料内部应力分布的可视化监测，相关论文发表在《Nature Communications》上。这项技术不仅能够非侵入式地监测活体昆虫运动时的力学变化，还可通过模块化设计适配不同多糖基质，为生物力学研究和智能材料开发开辟了新途径。

研究团队主要运用了四大关键技术：1)基于AFM的单分子力谱(SMFS)验证CBM与多糖结合力；2)二元溶剂诱导自组装(BSISA)构建仿生水凝胶模型；3)激光共聚焦显微镜联用自制力学装置实现原位FRET成像；4)有限元分析(FEA)模拟验证三维应力分布。实验样本包括实验室制备的甲壳素/纤维素水凝胶，以及蝗虫(Locusta migratoria)足部和果蝇(Drosophila melanogaster)幼虫等生物样本。

【设计原理与验证】

研究团队巧妙地将蜘蛛鞭毛丝弹性蛋白作为分子弹簧，连接eCFP/YPet荧光对构成FRET张力传感模块(FTSM)，再融合蝗源甲壳素结合模块RR2(CBM1)。

单分子力谱显示CBM1与甲壳素结合力达60pN，结合效率78.1%，为稳定应力传递奠定基础。通过可逆拉伸实验证实，传感器能准确反映水凝胶中心区域的应力集中现象，与泊松比理论预测一致。

【定量分析能力】

研究人员建立了FRET指数与应力的数学模型，在拉伸模式下：I=0.82/(1+ε_T/100)⁶+0.2，压缩模式下：I=1.8-0.82/(1+ε_C/100)⁶。该模型在1.3MPa模量的水凝胶中验证时，实验值与计算值误差<5%。

【三维应力监测】

通过球形压痕实验结合三维荧光成像，发现1.5MPa水凝胶在压入深度达50μm时呈现独特的"单环-双环"应力分布。

有限元分析证实该现象符合neo-Hookean模型，而150kPa软材料则呈现梯度分布，揭示了模量对应力传递模式的决定性影响。

【活体应用】

在蝗虫跳跃过程中，传感器清晰显示出后足半月形股节在蹬踏阶段承受17MPa压应力，且应力从股节向胫节动态传递。

果蝇幼虫爬行时，传感器捕捉到尾部收缩产生-13MPa压应力，而向前蠕动时应力前移形成力学梯度，首次直观揭示了幼虫运动的能量传递机制。

【平台拓展性】

通过整合不同CBM模块，该平台可拓展至纤维素、几丁质等多糖基质。

其中CBM2因含芳香族残基，对多种多糖具有广谱结合性，结合力达73.9pN。将其应用于狗尾草茎秆弯曲实验时，成功显示出背侧到腹侧的应力梯度分布。

这项研究开创性地将分子生物传感器技术引入材料力学研究领域，其重要意义体现在三个方面：首先，解决了软材料微观力学监测的技术瓶颈，使活体组织的实时力学分析成为可能；其次，模块化设计理念为研究复合材料的组分间应力传递提供了新范式；最后，建立的定量模型为仿生材料设计提供了精确的力学参照。该技术预期将在组织工程、软体机器人等领域产生深远影响，特别是为昆虫运动仿生研究提供了前所未有的观测窗口。研究展现的技术路线更为其他类型生物材料的力学研究提供了可借鉴的范式。