用声波控制液体，轻松制造复杂生物材料

梯度生物材料是一类在空间上物理、化学或生物学特性呈连续或阶梯式变化的工程材料，其设计灵感来源于骨-软骨界面等天然组织，因能模拟复杂生理环境，在组织工程、再生医学、细胞机械生物学等领域有重要应用。然而，现有制备方法存在诸多局限：多数方法依赖特定材料（如磁组装需顺磁性纳米颗粒，静电纺丝限于剪切变稀聚合物），通用性差；空间分辨率低且缺乏可编程性，难以构建复杂梯度；手动操作多导致批次差异大， reproducibility不足。

为解决这些问题，研究团队基于声流控技术（结合声波工程与流体动力学）开发了梯度调控声流控动态工程（GRADE）平台。该平台采用聚焦叉指换能器（FIDTs）产生高强度声场，并结合脉冲表面声波（SAW）驱动，可实现0至22毫米/秒的可调定向声流，精确调控梯度大小和长度。其开放式微通道设计能无损提取厘米级梯度材料，支持器件重复使用，提升了实用性和可扩展性。

与磁控或静电纺丝等局限于特定材料的技术不同，GRADE支持多种生物材料（如光交联水凝胶、离子交联海藻酸盐、纳米颗粒复合体系）的无成分依赖性流体操控，兼容性强。通过调节脉冲周期和输入电压，可灵活构建不同梯度分布：增加脉冲周期能延长梯度长度（如在GelMA水凝胶中从约10毫米扩展至15毫米），调整电压则主要改变梯度陡峭度。

为验证平台性能，研究团队构建了多种梯度系统：GelMA浓度梯度（杨氏模量2-40 kPa，覆盖软、硬组织特性）、海藻酸钙离子梯度、200纳米荧光纳米颗粒梯度，均实现了线性可控分布。在干细胞机械感知研究中，将人间充质干细胞接种于GRADE制备的刚度梯度GelMA基底上，发现细胞形态、迁移（向刚度更高区域迁移）及机械敏感蛋白（如Lamin A、YAP）表达均呈刚度依赖性，证实了平台在模拟生理微环境中的有效性。

综上，GRADE平台为梯度生物材料制备提供了强大且通用的工具，兼具高精度、可编程性和材料兼容性，有望推动机械生物学基础研究及生物医学转化应用。