中国青年学者一作，仿生吸盘鱼，发了一篇Nature！

在现代医疗、机器人、海洋工程等多个高技术前沿领域，实现对软性结构或组织的持久水下黏附一直是一项全球性挑战。柔软组织表面的动态形变、多变的酸碱与湿度环境，使传统胶黏剂失效频发，也制约着相关设备和技术的发展。

在这一背景下，麻省理工学院Giovanni Traverso教授课题组受自然启发，从鱼类“吸盘王者”——吸盘鱼（remora）身上汲取灵感，研发出全新一代机械式水下软组织黏附系统（MUSAS），突破性地实现了对动态软基底的强效、持久且无源黏附。吸盘鱼体表拥有特殊的黏附结构，能牢牢附着在各种海洋动物身上。为模仿这种独特能力，作者深入研究了它们的解剖结构、行为特征、物理机制以及仿生原理，尤其是它们如何在柔软表面上实现稳固吸附。通过这些研究，作者找到了吸盘鱼强力贴附的关键物理原理和进化机制，并将其成功运用到MUSAS的设计中。MUSAS展现出惊人的适应能力：无论是柔软、粗糙还是结构不稳定的表面，它都能牢固吸附，且贴附力和自身重量的比值高达1391倍。此外，它还能在极端酸碱环境和高湿度下保持优异性能。作者还验证了MUSAS在多种应用场景中的实用性，包括体外、离体及体内实验环境。例如，它可用于微型水下温度传感器、无创胃食管反流监测、长效抗病毒药物传输，以及通过消化道递送mRNA等前沿医学技术。相关成果以“Mechanical underwater adhesive devices for soft substrates”为题发表在《Nature》上，第一作者为中国学者Ziliang Kang。

受启发于吸盘鱼，MUSAS脱颖而出

吸盘鱼是一类能够依附于鲨鱼、鲸鱼、海龟甚至潜水员的神奇鱼类，其黏附盘是第一背鳍演化形成的复合结构。研究发现，这一结构包含层叠的“鳞板状”骨片（lamellae）和带钩的纤毛结构（spinules），并通过分隔舱室的形式形成独立的机械吸附单元。这一复杂结构，赋予其在软硬多种材质表面强效黏附的能力。作者对九种吸盘鱼的结构演化进行比对，发现其黏附能力与宿主游动速度、组织硬度紧密相关。例如专门附着在鲸类上的Remora australis，其吸盘骨片排列整齐、方向一致，有利于在高速水流中稳定吸附；而生活于鳐鱼口腔内的R. albescens，其骨片方向多样、结构柔软，更适应柔软复杂的生物内壁。研究团队进一步开展机械测试与高倍影像分析，首次揭示了吸盘鱼在软组织表面的“展开-抓取-分腔吸附”机制（图1a-h）：通过吸盘展开、骨片挺立，形成多舱吸附结构，辅以微钩刺与软唇结构，实现在非完整接触下也可形成稳定负压与摩擦锁定。

图1： 吸盘鱼吸附在不同的基底上

仿生MUSAS系统

基于上述机制，研究团队设计了高度仿生的机械吸附系统MUSAS。该系统采用记忆合金材料制作倾斜骨片，搭配弹性体唇缘和不锈钢背板（图2a-f），形成多个独立的吸附舱室。整个装置封装在FDA最大规格（26mm×9.5mm）的胶囊中，具备在体温下自动展开、贴附并稳定驻留的能力。通过有限元仿真（图2b）和实验对比，研究表明MUSAS中“展开多腔”结构可最大程度排出水分，形成强吸力；而骨片的倾斜多样性，是形成持久摩擦与适应软组织形变的关键。进一步测试表明，吸附力随骨片行数与角度多样性显著增强（图2j-k）。研究团队总结道，MUSAS正是R. albescens黏附策略的工程化再现，是迄今在水下软组织表面效果最稳定的无源仿生黏附系统。

稳定性表征

MUSAS系统在体外和离体组织上进行了系统性能验证。共测试了包括仿生胃组织、水凝胶、医用手套、SEBS薄膜和真实猪胃在内的多个基底（图3c-g），其表现均超出传统水下胶黏剂数倍以上，最大吸附力/重量比达1391（图3d）。值得注意的是，MUSAS可稳定工作于pH 1.5~8.8范围，优于NHS–EDC、Carbopol和Silbione等三类代表性水下胶粘材料（图3h）。且不需要预压时间即可实现“贴即牢”，对材料完整性、粗糙度和水分环境表现出极高的适应性。在实际猪体组织中测试发现，MUSAS在胃、食道、心脏、小肠等多个器官上均保持良好吸附力（图3i），最大剪切力可达3.5N，是胃内驻留装置需求的4倍以上。

图3：MUSAS的体外和体外表征。

真实动物实验验证持久性与安全性

研究团队对MUSAS进行了为期数周的猪与鱼体内实验（图4a-c）。在胃内，MUSAS最长驻留达3.5周，期间不影响动物进食与活动；在鱼体表亦能稳定贴附数日，承受剧烈游动冲击。其自动展开机制依靠胃肠蠕动即可触发，无需外部电机或磁控，具备真实临床可行性。

组织学分析显示，MUSAS微钩刺深入黏膜层约300~800μm，但未造成明显炎症或组织损伤（图4f-g），表现为一种“可穿透但无创”的微针级平台。其微创性能也为大分子药物与mRNA治疗的胃肠递送打开新思路。

图4：体内表征和对MUSAS动态干扰的抵抗力

软体仿生器件的多场景“超能力”展现

MUSAS不仅是强黏附平台，更是智能功能载体。研究团队展示了其在四大场景中的具体应用：水下无线温度感知器（图5a）：结合无源RFID温度芯片，MUSAS可固定于游动中的罗非鱼表面，实时回传温度数据，最长保持110小时，助力生态研究与行为分析。胃食管反流病（GERD）非侵入监测（图5b）：在猪体内，基于MUSAS的柔性阻抗传感器可精准识别胃酸反流事件，突破现有Bravo夹钳式装置的侵入与疼痛问题。3. HIV PrEP长效口服递送（图5c）：将Cabotegravir长效药物加载至MUSAS载体中，可在体内持续释放7天以上，为口服PrEP提供切实可能。4.胃肠道mRNA疫苗递送（图5d）：MUSAS作为微针递送平台，可将冷冻保存的脂质纳米颗粒mRNA高效释放于口腔与咽部，成功诱导萤火虫荧光素酶表达，是GI疫苗/基因治疗的突破性工具。

图5：动力学生物传感和药物输送的MUSAS

小结与展望

从吸盘鱼的自然智慧中汲取灵感，MUSAS实现了对水下软组织表面无源、强效、持久的仿生机械黏附，为医疗、生态与工程领域带来了突破性解决方案。该系统不仅在生物黏附性能上刷新纪录，更在器件功能集成上展示出极强扩展性。未来，研究团队计划进一步优化材料表面抗污、引入生物仿黏液润滑层、拓展纳米级微结构，甚至集成压力与声学传感器，使MUSAS成为真正意义上的“软体仿生平台”。

来源：高分子科学前沿

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