互动科普

可编程的细胞

通过轻轻地挤压细胞，就可以让一些大分子或纳米材料进入细胞，进而改变细胞的运作。

撰文 瑞安 · 布拉德利（Ryan Bradley）

翻译 谈笑

假如人类能让体内的细胞按照我们的要求去运作，比如让它们适时地合成胰岛素，或去攻击肿瘤，那么许多健康问题将会迎刃而解。不过，实现这一愿望并非易事。现在普遍使用的方法是，利用病毒穿透细胞膜，对细胞进行干预，但这样会对细胞造成永久性的损坏。

2009年，麻省理工学院的研究人员在不经意间解决了这一技术难题。他们当时正尝试用显微水枪向细胞注入一些大分子和纳米材料。这些物质可以改变细胞的运作机制，同时又能保证细胞存活。化学工程师阿蒙·沙雷（Armon Sharei）发现，水枪的冲击使部分细胞的外形产生了短暂的畸变。

令人吃惊的是，当细胞的外形处于畸变状态时，注射的物质成功地进入到了细胞内。沙雷说道：“这让我们意识到，如果让细胞在足够短的时间内产生形变，便可暂时克服细胞膜的阻碍。”不管怎样，显微水枪还只是一种较为粗放的方法，下一步工作是找到一种更加温和的方式来挤压细胞。

为此，在显微流控领域的奠基人之一克拉夫·F·延森（Klavs F. Jensen），以及另一位生物领域的先锋人物罗伯特·S·兰格（Robert S. Langer）的带领下，沙雷开发出了一种以硅和玻璃为材质的微芯片。这种芯片的表面，预先蚀刻了供细胞流动的通道，随着细胞流动的方向，通道逐渐收窄，直到细胞无法继续向前行进。此时，被卡住的细胞因受挤压而产生形变，细胞膜上便会出现小孔。这些小孔的直径，足够许多可改变细胞运作的介质通过，如蛋白质、核酸、碳纳米管等。

这项技术甚至能将介质成功引入脆弱的干细胞和免疫细胞中，这些细胞无法经受以前那种挤压方式的摧残。“这项技术适用的细胞种类之多，让我们都始料不及，” 沙雷介绍道。

自这项技术问世以来，沙雷所在的研究团队已经开发出了16种适用于不同细胞的芯片。当然，还会有更多的芯片陆续问世。而且，在现有每秒挤压50万个细胞的基础上，相关设备的处理效率还将更上一层楼。该团队已经成立了一家名为“SQZ生物科技”的公司，将这项技术推向市场。法国、德国、荷兰及英国的科研人员有望很快用上该技术。

透明动物

通过注入特殊化合物，可以使动物变得通体透明，这项技术将成为生物医学领域发展的助推器。

撰文 瑞安 · 布拉德利（Ryan Bradley） 

翻译 谈笑

5年前，维维安娜· 格勒迪纳鲁（Viviana Gradinaru）还在神经生物学实验室里，缓慢地处理着小鼠大脑切片的二维图像，并将其合成为三维模型。一天，她慕名参观了“人体世界”标本展。整个展览最让她着迷的，是经过塑化处理、完整的人体循环系统。这件展品让她深深感到，类似的处理方法可以运用到她的研究领域中，大大地提高实验效率。

 “组织剥离”概念的提出已有100多年，但当时的方法，如使用溶剂浸泡等，效率十分低下，通常也会破坏标记细胞所需的荧光蛋白。为了找到更好的解决方法，当时还是研究生的格勒迪纳鲁，与已故神经免疫学家保罗·帕特森（Paul Patterson）实验室的同事一起，开展了相关研究。这些研究的目的是替换组织中的脂肪分子——正是脂肪使得组织不透明。不过，他们必须找到一种可替代脂肪的物质，用以支撑组织的结构。

最终，他们找到了合适的方法：首先对啮齿类动物实施安乐死，并将甲醛注入其体内，利用心脏将甲醛泵至动物全身；之后，剥去动物的皮肤，从血管注入一种名为丙烯酰胺单体（acrylamide monomers）的白色无味化合物。丙烯酰胺单体可在动物体内建立一个具有支撑作用的水凝胶网，取代动物组织内的脂肪，并使其呈现无色状态；两周之内，这种物质可以使一只小鼠变得通体透明。

这种方法诞生后不久，他们便开始尝试着绘制透明小鼠的完整神经网络。透明器官让他们梦想的不少研究都成为现实，比如分辨周围神经——这类人们从前知之甚少的细微神经束。再比如向透明小鼠尾部注入带有荧光标记的病毒，观察病毒如何透过血脑屏障进入小鼠的大脑。“掌握这项技术，就好比拥有了洞察世间万物的‘透视眼’，”格勒迪纳鲁介绍道。透明器官一方面可降低实验中人为误差的概率，另一方面可提高实验效率，丰富实验数据，同时减少实验动物的使用数量。格勒迪纳鲁愿意向任何有需要的实验室提供她的水凝胶制作方法。下一步她将把这一技术推广到癌症以及干细胞领域的研究上。

体液发电

唾液也许会成为医用设备的新能源。

撰文 瑞安 · 布拉德利（R.B.） 翻译 谈笑

默罕默德·穆斯塔法·侯赛因（Muhammad Mustafa Hussain），这位沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology）的教授，毕生致力于极微型装置的研发。他用一句话总结自己的研究：“小东西拉近了我们与未来的距离。”于是，当他在2010年着手研究高效、可再生的发电设备，为偏远地区的净水或医疗诊断提供充足的能源时，他首先考虑的因素就是小巧。不过，利用唾液驱动燃料电池，却是他在研究开始时完全没有想到的。

这个“吐口唾沫”的点子来自于当时侯赛因实验室的同事、当时正在攻读博士学位的贾丝廷· E·明克（Justine E. Mink，现为陶氏化学公司的研究员）。那时，明克正尝试开发一种可以植入人体，安放在胰腺附近监测糖尿病人血糖水平的微型装置。微生物燃料电池——这种通过向细菌提供有机物（唾液中也富含有机物），利用细菌代谢产生电流的方法映入了她的眼帘。碰巧她和侯赛因的项目都可以利用这种方法，因此两人找来高导电性的石墨烯电极，在上面附着了唾液细菌，在一周之内，这些细菌产生了1微瓦（百万分之一瓦）的电量。

虽然1微瓦看起来微不足道，却足以驱动诸如芯片、诊断工具、或是明克的糖尿病监测仪这样的微型设备了。侯赛因现在正与3D打印人造器官的公司合作，将他的燃料电池嵌入人造肾脏中，并通过各种体液为电池充电。他说这只是他宏伟目标的第一步，今后，他打算帮助贫困国家，利用工业废弃物中的有机物来发电，并将电力用于海水淡化。

视力矫正显示屏

可用于智能手机和iPad上的显示屏，能通过自身调节来适应用户的视力状况——再也不需要戴眼镜了。

撰文 雷切尔 · 努沃（Rachel Nuwer） 翻译 王栋

在美国，40岁以上的人群中， 超过40%的人在阅读时都需要戴眼镜；而对于80岁以上的人群，这一比例更是达到了近70%。“随着年龄的增长，屈光不正（refractive error）对我们日常生活的影响与日俱增，”美国斯坦福大学电气工程学助理教授戈登·维茨斯坦（Gordon Wetzstein）说。

但是，无论框架眼镜还是隐形眼镜，都有不甚理想的地方。举例来说，一个远视的人，在开车时观察交通路况没有任何问题，但在查看速度表或GPS导航的时候就需要戴眼镜了。这种情况下，最好的解决办法是使用视力矫正显示屏，即能根据用户的情况给显示屏“戴上眼镜”，维茨斯坦说。

与麻省理工学院（维茨斯坦曾在这里工作）及加利福尼亚大学伯克利分校的同事们合作，维茨斯坦研制出了这种显示屏。在智能手机或平板电脑的标准高分辨率显示屏的基础上，他主要做了两项改动：一是打印一种低成本的、布满小孔的透明薄膜，覆盖在屏幕上；二是为智能手机或平板电脑编写算法，来判断用户相对于显示屏的位置，并根据他（她）的验光处方来调整投射的图像。当调整过的图像通过显示屏透明薄膜上的小孔阵列时，在软硬件的共同作用下，屏幕上会产生误差，正好同视力误差相抵消，在用户眼中形成清晰的画面。这种显示屏能为近视、远视、散光和其他更为复杂的视力问题提供相应的矫正。2014年8月，在加拿大温哥华举行的计算机图形图像特别兴趣组 （Special Interest Group for Computer Graphics）年会上，研究人员首次展示了这项技术。

据维茨斯坦介绍，在少量用户中进行的非正式测试显示，该技术起到了应有的作用，不过还需要更大规模的研究来进一步完善。研究人员还计划开发一种滑动条，用于手动调整显示屏的焦距。维茨斯坦说，对发展中国家的用户来说，这项技术尤为便利，因为在某些地区，获得移动设备要比通过医生处方购买眼镜更容易。

简易快速的

纳米显微镜

一种可以拍摄纳米粒子的电子显微镜能快速检测药物、爆炸物中的分子信息。

撰文 本 · 福格尔森（Ben Fogelson） 翻译 王栋

具备纳米尺度分辨率的电子显微镜已经得到了广泛应用，但其价格动辄高达数百万美元，准备样品也非常麻烦。对于专业的研究型实验室来说，这样的状况还能够接受，但如果要快速扫描产品样品，来查看内置的微尺度水印呢？

纽约大学物理学家戴维·格里尔 （David Grier）和同事研制出的一种新型全息显微镜，就能解决这一问题。他们以商用蔡司（Zeiss）显微镜为基础，将它的白炽灯光源换成激光光源。激光照射到待观察的样品上，然后发生散射，形成由激光束和散射光互相干涉而成的三维图像（即全息图），并由摄像机录下。

数十年以来，科学家已经可以生成微尺度物体的全息图像，但从中提取出有用的信息总是很困难。这就是格里尔这项发明的价值所在。他的研究小组编写了一种软件，能够快速求解描述光在球体上散射的方程中的未知参数。这些参数中包含了关于散射物体的所有信息。由于这种显微镜具有纳米级的分辨率，研究人员得以追踪胶体中悬浮的粒子（例如涂料样品中漂浮的纳米珠）。同时，它的成本只有电子显微镜的十分之一。

格里尔希望这种仪器能够提供一种快速而经济的方式，用来观察产品内部的单个粒子。设想一下，涂料桶或洗发水瓶中每滴液体都含有标注了产品生产信息的微粒——就像指纹一样。格里尔还补充道，这种显微镜同样容易“读”出“加盖”在药物、爆炸物及其他物品中的分子信息。

储存热能的电池

基于热耦合效应的新型电池，可以将白白流失的热能转化为电能，这一技术拥有巨大的应用前景。

撰文 瑞安 · 布拉德利（Ryan Bradley） 翻译 王栋

在工业生产中，每年都有100亿瓦特的电量以热能的形式被浪费掉了，而这些能量足够为1 000万户家庭提供照明用电。通过热电效应（thermoelectric effect），就可以利用温差发电，把这类热能转化为电能。但是，这样也只能利用其中的一部分。麻省理工学院的博士后研究员杨远（Yuan Yang）解释道：这是因为几十年来的研究都表明，需要达到500℃以上的温差，才能产生出具有实际使用价值的能量。不幸的是，据美国环境保护局（Environmental Protection Agency）的估计，在美国每年浪费的能量中，有三分之一都是以低于100℃的温度逃逸掉的。

杨远和他的导师、斯坦福大学的陈刚（Gang Chen），以及博士后研究员崔屹（Yi Cui）和李硕祐（Seok Woo Lee）一道，研发出了一种温差仅为理论值1/10（低至50℃）的发电技术。这种技术的关键是利用了热耦效应（thermogalvanic effect，与热电效应有类似之处）。在这个过程中，材料整体的温度都随电压而变化，而非仅在电池中产生温度差。研究团队使用不带电的电池芯，配以铜电极，在高温时进行充电，然后再让它们冷却——神奇的事情发生了，电池的放电电压比为它们充电时所用的电压更高。换句话说，用于加热电池的能量被电池以电能的形式收集了起来。

直到近两年，电池电极的效率才达到能将如此小的温差转化为电能的程度，杨远介绍说。而且在实现商业化前，这项技术还需要很多的研究工作来进一步完善。但是，人们迟早会建起由大量电池组筑起的“围墙”，环绕在工厂烟囱或发电厂的周围，将以往白白浪费掉的热能转化为电力。“这一场景非常诱人，”杨远说，“因为被浪费掉的热能随处可见。”

新型聚合物

“泰坦”

环保、高强度、可自我愈合、可回收的聚合物，将改变汽车、飞机等诸多行业。

撰文 雷切尔 · 努沃（Rachel Nuwer） 翻译 王栋

当化学家珍妮特·加西亚（Jeannette García）在最近用过的一个烧瓶里，发现了一块糖果大小的白色材料时，她压根不知道到自己做出了什么东西。这种材料紧紧附着在玻璃上，所以只能用锤子打碎烧瓶才将其取出。但是，当她再次用举起锤子，去敲打这块材料本身时，后者却毫发无损。“当意识到它的有多坚固时，我就知道必须要弄清楚我究竟做出了什么东西，”加西亚说。

加西亚是IBM公司阿尔马登研究中心的科学家。最终，她在几位同事的帮助之下解开了这个谜团。他们发现，这种令人吃惊的材料是一类新型热固性聚合物。这是一类极为坚固的塑料，能用于从智能手机到飞机机翼等众多产品中。虽然在全球每年生产的聚合物中，热固性材料就占到了三分之一，但是它们很难被回收利用。而加西亚发现的新材料（被称为“泰坦”），是目前为止发现的第一种可回收的、具有工业级强度的热固性材料。

传统热固塑料无法回收重塑，而上述新型聚合物可以通过化学反应进行重新加工。在2014年5月的《科学》（Science）杂志上，加西亚和同事介绍了他们的发现。

预计，全球对耐用且可回收的塑料产品的需求将很快大幅攀升。到2015年，欧洲和日本都将要求厂家在生产汽车部件时，可回收材料的比例要达到95%。“‘泰坦’恰恰可以完美地满足这种需求，”加西亚说。此外，她相信这种新材料最终还能推广到更广泛的应用中，包括抗蚀抗菌涂层、给药设备、粘结剂、3D打印、水净化领域等。

“泰坦”还有其他优点。加西亚和同事发现，这种材料还有第二种形态—— 在低温时，它会呈现出可自愈合、类似凝胶的形态。这种形态被研究人员称为“海德鲁”（Hydro，意为水）。“如果将海德鲁切成两半，再放回一起，它们会立刻互相粘结，”加西亚介绍说。这样，“泰坦”就可以用作粘合剂，或者自修复涂料，其他相关的化学产品也将陆续被开发出来。“（我们发现的）不仅仅是一种新型聚合物，而且还是一种新的聚合物生成反应，”加西亚说。