iNature 文

浙江大学合作发表Nature封面文章

空中播种可以迅速覆盖大面积和物理上无法到达的地区，以改善土壤质量，清除农业中残留的氮，并用于火灾后的重新造林和荒地恢复。然而，由于未掩埋的种子直接暴露在强烈的阳光、风和嗜食的鸟类中，以及不理想的空气湿度和温度，它的发芽率很低。

2023年2月15日，卡内基梅隆大学姚力宁、雪城大学张腾、宾夕法尼亚大学杨澍及浙江大学王冠云共同通讯在Nature 发表题为「Autonomous self-burying seed carriers for aerial seeding」的封面文章，受Erodium种子的启发，该研究设计和制造了自带「钻头」的种子载体，将木胶皮变成高度坚硬(干燥时约4.9 GPa，潮湿时约1.3 GPa)和具有极大弯曲曲率(1,854 m⁻¹)的湿态弯曲或卷曲驱动器，比文献中的值大45倍。

三尾载体在两次触发循环后，在平地上的钻地成功率为80%，这得益于其尾部锚定的有利静置角度(25°-30°)，而天然Erodium种子的成功率为0%。运载工具可运载各种大小的有效载荷和内容物，包括生物肥料和白皮松种子大小的植物种子，长度约11毫米，重量约72毫克。通过对实验数据和数值模拟数据的比较，阐明了曲率变换和驱动机理，为种子载体的设计和优化提供了指导。该研究的系统将提高空中播种的有效性，以缓解农业和环境压力，并在能源收集、软机器人和可持续建筑方面有潜在的应用。

各种天然草种的吸湿种子以其自埋行为而闻名，其中芒对外部湿度的变化做出反应，导致种子尖端自埋。这些行为是有利的，使种子避免火灾，并减少暴露于高温和对降水的敏感性。然而，种子形态的进化往往是为了适应特定的自然栖息地和其他物理限制，很少有定制的灵活性。不能保证所选的类型将适用于目标栖息地和有效载荷。在对照试验中，Erodium、Stipa和Aristida的吸湿种子在相对平坦的地形上经过三次触发循环后几乎实现了零锚定。

许多吸湿草籽的籽壳很轻，从而限制了携带更重有效载荷的潜力，例如大约72毫克的白皮松种子，这对重新造林很重要。一个经过工程改造的Erodium种子副本已用于现场传感器部署。然而，在第一次驱动循环后0-20%的建立率，需要人工裂缝的土壤类型有限，以及制造过程中较长的化学洗涤周期(7小时)限制了其在空中播种中的潜在应用。显然，这一差距为设计自埋系统提供了机会。在这里，该研究设定了三个设计标准：它们应该在平坦和粗糙的地形上都能稳定工作；总体大小和其他几何因素应可调，以适应各种各样的作物和本地植物种子；材料应该是可生物降解的，制造过程应该是简单易懂的。

考虑到屋面拓扑结构，尾部和线圈的参数几何形状，以及材料的内在特性，研究人员设计并制造了一个三尾种子载体平台，由木质贴面，一种坚硬的生物质。该平台由三尾结构组成，可提高初始成功率；具有可变几何因素的湿态线圈体，在可制造性和所需推力和驱动幅度的基础上进行了优化；以及不同的尖端和整体尺寸，以适应不同的有效载荷。

仿生设计的自带「钻头」的种子载体 | 图源：Nature

在相同的试验条件下，三尾种子载体的表现明显好于珍珠岩种子和其他四种天然物种的吸湿种子，在相对平坦的土壤上优势更为明显。在这里提出的工程解决方案受到自然的启发，但根据特定的地形和有效载荷，包括不同的种子、共生物种和有益的线虫，提供了灵活性。与现有的生物和合成湿态致动器相比，该系统最大弯曲曲率为1854 m⁻¹，是已报道的木质弯曲致动器的45倍，并且具有相当大的弹性模量(约4.9 GPa)。

种子载体几何参数设计 | 图源：Nature

三尾载体在两次触发循环后，在平地上的钻地成功率为80%，这得益于其尾部锚定的有利静置角度(25°-30°)，而天然Erodium种子的成功率为0%。运载工具可运载各种大小的有效载荷和内容物，包括生物肥料和白皮松种子大小的植物种子，长度约11毫米，重量约72毫克。通过对实验数据和数值模拟数据的比较，阐明了曲率变换和驱动机理，为种子载体的设计和优化提供了指导。该研究的系统将提高空中播种的有效性，以缓解农业和环境压力，并在能源收集、软机器人和可持续建筑方面有潜在的应用。

中国科学院合作发表Nature，像「乐高积木」一样轻松组装可拉伸电子设备

可拉伸的混合设备已经实现了高保真的植入式和皮肤上的生理信号监测。这些设备通常包含与人类和软体机器人的机械要求相匹配的软模块，包含硅基微电子和保护性封装模块的刚性模块。为了使这种系统在机械上符合要求，模块之间的连接需要承受应力集中，这可能会限制它们的拉伸，最终导致脱胶失败。

2023年2月15日，新加坡南洋理工大学陈晓东、斯坦福大学鲍哲南及中国科学院深圳先进技术研究院刘志远共同通讯在Nature 在线发表题为「A universal interface for plug-and-play assembly of stretchable devices」的研究论文，该研究报告了一个通用接口，它可以可靠地将软模块、刚性模块和封装模块连接在一起，以即插即用的方式形成稳健的和高度可拉伸的设备。该界面由互穿聚合物和金属纳米结构组成，通过简单的按压来连接模块，而无需使用浆料。它的形成由双相网络增长模型描述。

通过该接口连接的软-软模块的机械和电气拉伸性能分别达到600%和180%。软模块和硬模块也可以使用上述接口进行电连接。具有该界面的软模块的封装具有强粘接性，界面韧性为0.24  N mm⁻¹。作为概念证明，该研究使用该接口组装可拉伸装置，用于体内神经调节和皮肤肌电图，具有高信号质量和机械阻力。总之，这种即插即用的接口可以简化和加速皮肤上和可植入的可拉伸设备的开发。

可拉伸混合装置是通过将几个模块连接在一起组装而成的。它们可分为三种基本类型：机械匹配人体或软体机器人的组织/皮肤的软模块，由硅基微电子组成的刚性模块和用于保护的封装模块。这些模块具有不同的材料、形状因素和加工技术，通常是独立制造的，然后使用各向异性导电膜(ACF)和银糊等商业导电糊进行组装。挑战在于，由于浆料和模块之间的机械不匹配，组装的连接在变形下会出现界面失效。这个问题极大地限制了可拉伸电子系统的复杂性和鲁棒性。

人们尝试了各种方法来解决这些问题。全软电子(没有刚性Si组件)已被开发以消除界面处的机械失配。然而，硅基器件仍然是信号处理和无线通信所必需的。也有人用液态金属代替刚性浆料，但其高表面张力导致界面附着力低，并可能涂抹到不需要的地方。由具有导电填料的自愈合聚合物或水凝胶基质组成的复合材料可能会消除或替代浆料的使用。然而，它们的大厚度(几十到几百微米)导致机械不匹配和降低机械或电气稳健性，以及不适用于超薄电子设备。

可拉伸混合设备的BIND连接 | 图源：Nature

在这项工作中创建了一个双相纳米分散(BIND)接口，可以可靠地将软、刚性和封装模块连接在一起，以即插即用的方式，而不使用粘贴。任何带有BIND接口的模块都可以简单地面对面地压在一起，在不到10秒的时间内形成BIND连接。

该研究通过热蒸发金(Au)或银(Ag)纳米颗粒制备BIND界面，在自粘苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)热塑性弹性体内部形成互穿纳米结构，SEBS是一种广泛应用于可拉伸电子产品的软基板。SEBS基质表面附近的纳米颗粒形成了一个双相层(大约90纳米深)，其中一些纳米颗粒完全浸入其中，而另一些纳米颗粒部分暴露在外。这种界面结构在表面产生了暴露的SEBS和Au，在基体内部产生了互穿的Au纳米颗粒，这为坚固的BIND连接提供了连续的机械和电气途径。总之，这种即插即用的接口可以简化和加速皮肤上和可植入的可拉伸设备的开发。

斯坦福大学冯亮团队发表Nature，破解60年难题

钠-氯共转运体(NCC)对肾脏生理至关重要。NCC在肾元远曲小管的盐重吸收中起主要作用，NCC的突变导致盐消耗病Gitelman综合征。作为盐处理中的关键角色，NCC调节血压，是噻嗪类利尿剂的目标，噻嗪类利尿剂被广泛用作治疗高血压的一线药物已有60多年的历史。尽管噻嗪类利尿剂是最广泛的处方药之一，但它是如何选择性地抑制NCC的仍然是难以捉摸的。

2023年2月15日，斯坦福大学冯亮团队（范敏锐、张建秀、Chien-Ling Lee和张金儒为共同第一作者）在Nature 上发表了题为「Structure and thiazide inhibition mechanism of the human Na-Cl cotransporter」的研究论文，该研究用冷冻电子显微镜测定了人NCC单独和与常用的噻嗪类利尿剂的复合物结构。这些结构以及功能研究揭示了NCC的主要构象状态和有趣的调控机制。该研究还阐明了噻嗪类利尿剂是如何具体地与NCC相互作用并抑制其运输功能的。总之，该研究结果为理解NCC的Na-Cl共转运机制提供了关键的见解，并为未来的药物设计和解释疾病相关突变建立了一个框架。

高血压影响着大约三分之一的成年人，是心血管疾病、肾脏疾病和痴呆的主要危险因素，在全球造成巨大的健康和经济负担。肾脏通过调节液体和电解质的稳态来控制血压。在这一过程中不可或缺的是NCC，它在调节尿Na⁺ 和Cl⁻ 排泄、调节离子和酸碱平衡以及控制血压方面起着主要作用。NCC活性降低是Gitelman综合征的基础，其特征是低血压伴低钾血症和代谢性碱中毒；NCC活性增加是假性低醛固酮增多症II型的基础，以高血压伴高钾血症和代谢性酸中毒为特征。

不出所料，NCC是肾脏和心血管疾病药物治疗的主要靶点，包括噻嗪类利尿剂。噻嗪类利尿剂是最早的口服降压药，具有较好的疗效和安全性，目前仍是首选的一线降压药。它们也被用于治疗水肿和充血性心力衰竭。尽管噻嗪类利尿剂是最广泛的处方药之一，但它是如何选择性地抑制NCC的仍然是难以捉摸的。

人类NCC的整体结构 | 图源：Nature

NCC属于阳离子-氯化物共转运体(CCC)家族，主要包括三类：Na-Cl(1:1比例)共转运体NCC；Na-K-Cl(1:1:2比例)共转运蛋白NKCCs (NKCC1和NKCC2)；K-Cl(1:1比例)共转运蛋白KCCs (KCC1-4)。这些转运蛋白利用独特的离子选择性、化学计量学和耦合作用，在电解质稳态和体积调节中起着重要作用。最近的结构研究为NKCC1和KCCs提供了重要的见解，但NCC介导的Na⁺ 和Cl⁻ 电中性转运的分子基础尚不清楚。此外，NCC在各种激素刺激下磷酸化，激活其转运活性以调节离子稳态和血压，但可溶性N端结构域(NTD)内的磷酸化如何影响转运体仍不清楚。

NCC的调控结构域 | 图源：Nature

该研究解析了人源钠氯协同转运蛋白NCC及其与噻嗪类降压药（NCC抑制剂，聚噻嗪是一种有效的噻嗪类利尿剂和降压药）的复合物的电镜结构。总之，该研究结构和功能研究为理解NCC的转运和噻嗪抑制机制提供了一个框架。

论文链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-05656-3

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-022-05579-z

[3]https://www.nature.com/articles/s41586-023-05718-0

--iNature