水凝胶与磁共振成像：三位改变医疗的生物医学工程师

Nature Index 2026：生物医学工程。

生物医学工程涵盖范围很广的研究，并具有临床应用：从制作手术植入物，到利用物理学改进医学成像。这里聚焦于三位研究者，他们的基础性工作正在为这类健康解决方案铺路；以下文本呈现了其中两位。

Xinyu Dong：冷中求强

Xinyu Dong。配图：Paddy Mills。

水凝胶是生物医学工程师最青睐的材料之一。它富含水分、高度多孔、富有弹性，因此能非常接近地模拟人体组织。但新加坡国立大学材料科学家Dong指出，水凝胶也有明显限制：“它们通常比较脆弱，而且高含水量会使其容易脱水；当外界环境改变时，也容易结冰。”

Dong采用冻铸法制造新一代高性能水凝胶。冻铸法通常用于制作陶瓷支架，这些支架可作为三维模板引导骨修复，也被称为冰模板法。具体做法是：先把材料与水混合成浆料，放入模具，再利用温度梯度让冰晶朝特定方向生长。冰晶生长会把浆料中的颗粒挤到冰晶之间的空隙中；待冰被蒸发后，材料内部就会留下按需要排列的有序孔道网络。

Dong在2020年攻读博士期间开始试验冻铸法，先做出了模拟骨骼结构的多孔陶瓷支架：既坚固，又能一定程度上变形而不碎裂。后来她又把这一思路用于气凝胶和超轻、主要含空气的材料，以及水凝胶。她说，这些材料差别很大，但基本思路相同：通过在不同尺度上控制结构，就能改变材料行为，赋予它们有用性能。

2024年，Dong提出了一种冻铸法的改进。传统做法是冻结后蒸发冰，而她把模具取出，放进冷却的有机溶剂中。冰逐渐溶解到溶剂里，有机液体随即填充到新生成凝胶的通道中；这会把聚合物壁拉近，增加彼此连接。溶剂还会把盐离子带入材料内部，使材料能够导电。最终得到更坚韧、更强、更可拉伸的类似皮肤材料的有机水凝胶，适合用于可穿戴电子设备和软体机器人。

今年，Dong和合作者利用该技术的扩展版，在Nature Communications上发表了一种应用：研制出一种软水凝胶电子皮肤，能够与人体形成紧密且稳定的接触。把它做成腕带后，可以监测皮肤温度、脉搏和汗液浓度。

Dong本科在苏州大学学习材料科学，后来在新加坡国立大学转向机械工程攻读博士。她说，这种跨学科背景帮助她理解材料性能如何通过制造过程和结构设计来塑造，也能用来解决真实工程问题。她还把解决问题的能力归功于父亲。父亲常出差并带回“奇怪又新奇”的玩具，她喜欢拆开再装回去。如今她希望把这种巧思用于开发个性化医疗技术，让材料能修复组织、治疗疾病、监测健康。她说，真正的机会是创造可编程水凝胶材料，使其物理、机械和生物性能可以针对特定组织、患者和临床需求定制。

James Eills：强信号

James Eills。配图：Paddy Mills。

人体代谢丙酮酸等天然代谢物的过程，可以用磁共振成像等设备观察。原因是每种代谢物的化学状态会发出独特的磁信号，能够实时反映细胞代谢。但这些信号天生很弱：即使使用非常强大的扫描仪，分子中只有极少原子核会与磁场对齐。德国于利希研究中心超极化方法实验室负责人James Eills认为，创新超极化技术是增强磁信号最有希望的途径之一，这也是核磁共振和磁共振成像面临的重大挑战。

超极化可以迫使原子核自旋朝同一方向排列，从而提高与磁场对齐的比例，让原本看不见的信号变得可见。Eills说，使用超极化丙酮酸，临床医生可以比常规成像更好地监测疾病。

目前在生物医学磁共振成像中，医生通常在注射对比剂溶液前，用一种叫“溶解动态核极化”的方法对分子进行超极化。这种方法很强，但设备昂贵、准备时间长。因此Eills认为，必须寻找更好的方式，对作为对比剂的分子进行超极化。

他从2010年代初在南安普顿大学本科阶段就开始研究这个问题，并在加州大学伯克利分校和南安普顿大学完成硕士与博士研究；2018年在德国美因茨亥姆霍兹研究所做博士后时继续这一方向。他开发方法，尝试把仲氢的核自旋极化转移到丙酮酸、延胡索酸等有临床价值的代谢物上。仲氢是一种氢分子形式，其中原子核自旋方向相反。仲氢诱导极化可以把磁共振信号提高好几个数量级，同时避开传统溶解动态方法的复杂性和高成本。相关研究通过与美国、英国、意大利和德国研究人员合作完成，他和同事因此获得2021年埃尔温·薛定谔奖，以表彰卓越合作研究。

不过，Eills和合作者开发的这种仲氢诱导极化也有缺点：只适用于可以加入氢的分子，即能发生氢化的分子。他说，实验室面临的挑战是寻找新的方式诱导仲氢诱导极化。这类创新超极化方法能扩大生物医学成像可用的选择。

2021年，Eills在加泰罗尼亚生物工程研究所做第二次博士后研究时，又面对该领域的另一个关键瓶颈。使用强射频脉冲操控原子核自旋时，脉冲强度可能部分破坏原子核脆弱的量子态，导致被操控原子核发出的微小磁信号丢失。Eills和合作者尝试用原子传感器解决这一问题：不用无线电波，而用激光探测局部磁场的微小变化。

Eills对物理化学的兴趣可以追溯到2011年，当时他还是大学生，听了英国著名物理化学家彼得·阿特金斯的一次讲座。他说，吸引他的点是阿特金斯教授谈到热力学系统中的“负温度”。多年以后，他们用脉冲磁场经常创造负核自旋温度；当年看起来不可能的事，如今成了帮助实验的简单技巧。

Eills取得的每项进展，都在解决代谢磁共振成像应用中的不同障碍。虽然由仲氢诱导极化制备的成像剂在纯度方面仍需改进才能用于临床，但Eills团队近期在预印本中展示了潜力：他们已在人体活检样本上实现实时测量药物反应。

— Sandy Ong；— Anna Napolitano。