水凝胶因其富含水分、多孔且富有弹性的特质，能够高度模拟人体组织，因而成为生物医学工程师最青睐的材料之一。然而, 水凝胶也存在一些关键局限。新加坡国立大学的材料科学家Xinyu Dong指出：“它们通常比较脆弱，而且高含水量使其在周围环境条件发生变化时容易因脱水或冷冻而受损。”

为突破这些限制，她运用冷冻铸造技术来制备新一代高性能水凝胶。这项技术通常用于制造陶瓷支架，作为引导骨骼修复的三维模板。冷冻铸造又称冰模板法，其过程是将材料与水混合制成浆料，放入模具中，再利用温度梯度使冰晶沿特定方向生长。这会迫使浆料中的颗粒被挤入冰晶之间的空隙，待冰升华去除后，“留下的便是目标材料中一个结构有序的孔隙网络，”她解释道。

Xinyu Dong于2020年在新加坡国立大学攻读博士学位期间开始尝试冷冻铸造技术，制备出模拟骨骼结构的多孔陶瓷支架。这种支架强度高，却又能在一定程度上发生形变而不断裂¹。此后，她将这一技术应用于气凝胶——一种几乎完全由空气构成的超轻材料——以及水凝胶领域。“这些材料彼此差异很大，”她说，“但基本原理是相通的。通过在不同尺度上调控其结构，我们就能改变材料的性能表现，赋予其有用的特性。”

2024年，Xinyu Dong为冷冻铸造技术提出了一种新思路²：在冷冻后不再升华冰晶，而是取出模具，将其浸入低温有机溶剂中。随着冰逐渐溶解进入溶剂，有机液体随之取代新形成凝胶中各处通道里的冰，聚合物壁之间被进一步拉近，彼此间的连接也随之增多。该溶剂还会将盐离子引入基质中，使材料具备导电性。最终得到的是一种更坚韧、更强健、延展性更佳的类皮肤有机水凝胶，非常适合应用于可穿戴电子设备和软体机器人领域。

Xinyu Dong及其合作者今年在《自然-通讯》³期刊上描述了这项技术的一种延伸应用。“我们研发了一种基于水凝胶的柔性电子皮肤，它能与人体皮肤形成紧密而稳定的接触，”她说。将这种凝胶集成到腕带中后，便可用于监测皮肤温度、脉搏以及汗液浓度。

本科阶段，她就读于中国苏州大学材料科学专业，博士阶段则转向机械工程方向。她表示，这种跨学科的知识背景帮助她深刻领悟到材料的性能“可以通过制造工艺与结构设计来塑造”，并“被用以解决真实的工程问题”。

Xinyu Dong坦言，是父亲从小培养了她解决问题的能力。她说，父亲常常因工作四处出差，每次回来都会带回一些“稀奇古怪”的玩具，而她总喜欢把这些玩具拆开，再重新组装起来。

如今，她希望将这份探索精神投入到个性化医疗技术的研发中，致力于修复组织、治疗疾病并监测健康状况。她说：“真正的机遇在于打造可编程的水凝胶材料，使其物理、机械及生物特性能够根据特定组织、患者及临床需求进行量身定制。”

人体对丙酮酸盐（一种天然存在的代谢物）等分子的转化过程，可以借助磁共振成像（MRI）扫描仪等设备进行可视化观察。这是因为每种代谢物的化学状态都会发射出独特的磁信号，从而实时反映细胞代谢情况。然而，这些信号本身十分微弱，因为即便是最强大的扫描仪所产生的磁场，也只能使此类分子中极小部分的原子核与之发生排列对齐。德国于利希研究中心（Jülich Research Centre）超极化方法实验室负责人James Eills认为，创新的超极化技术是增强磁信号的最有希望的解决方案，而这正是磁共振成像与核磁共振（NMR）领域最大的挑战之一。

超极化技术能够迫使原子的核自旋指向同一方向，从而增加与磁场对齐的自旋比例，使原本无法探测到的信号变得可见。“借助超极化丙酮酸盐，临床医生能够比传统成像手段更有效地监测疾病，” Eills说道。

目前，在生物医学磁共振成像中，临床医生在注射造影剂溶液之前会采用一种名为“溶解动态核极化”的方法对分子进行超极化处理。这种方法虽然效果显著，但需要昂贵的设备，且制备耗时较长。正因如此，Eills认为,寻找更优的分子超极化方法以用于制备造影剂是一项至关重要的工作。

自2010年代初在英国南安普顿大学攻读本科以来，Eills便一直致力于应对这一难题，之后又分别在加州大学伯克利分校和南安普顿大学取得了硕士和博士学位，并于2018年在德国亥姆霍兹研究所（Helmholtz Institute）从事博士后研究，延续了这项工作。他研发出多种方法，尝试改善自旋极化从仲氢（一种核自旋方向相反排列的氢气）向丙酮酸盐、富马酸盐等具有临床应用价值的代谢物转移的效率。仲氢诱导极化技术（PHIP）能够将磁共振信号提升数个数量级，同时避免了传统溶解动态极化方法所带来的复杂性与高昂成本。Eills与来自美国、英国、意大利和德国的研究人员合作完成了这项研究⁴。凭借其成果，他们共同获得了2021年度埃尔温·薛定谔奖——该奖项旨在表彰杰出的合作研究。

然而，Eills及其合作者所开发的PHIP方法也存在一项局限：它仅适用于能够发生加氢反应的分子。“我们实验室目前面临的挑战是寻找诱导PHIP的新方法，”他说。此类创新性的分子超极化方法将有助于拓宽生物医学成像可选用分子的范围。

这正是Eills自2021年在西班牙巴塞罗那加泰罗尼亚生物工程研究所从事第二段博士后研究以来一直在探索的课题。彼时，他还着手攻克该领域的另一大瓶颈：当使用强射频脉冲来操控原子核自旋时，脉冲的强度可能会部分破坏原子核脆弱的量子态，导致经操控的原子核所发射出的微弱磁信号丢失。为解决这一问题，Eills及其合作者尝试引入一种原子传感器，利用激光而非射频波来探测局部磁场中的微观变化⁵。

Eills将自己对物理化学的热爱追溯至2011年大学期间参加的一场讲座，其主讲人是英国著名物理化学家Peter Atkins。“吸引我的是Atkins教授描述的热力学系统中的‘负温度’概念，”Eills回忆道。“多年后的今天，我们早已能够借助脉冲磁场轻松地制造出负的核自旋温度。当年看似天方夜谭的事情如今已成为帮助我们开展实验的一项简单手段。”

Eills在这一领域所取得的每一项进展都有助于解决代谢磁共振成像应用中的不同难题。尽管基于PHIP技术制备的成像造影剂在纯度方面仍有待改进方能用于临床，但在近期发布的一篇预印本论文中，Eills团队已经展示了这类试剂在人类活检样本中的应用潜力——可用于实时测量药物反应⁶。

Qingyuan Bian对化学与生物学怀有浓厚兴趣，深知生物医学工程材料能够帮助应对医疗领域面临的重大挑战。2019年从香港浸会大学化学专业毕业后，她前往加拿大温哥华的不列颠哥伦比亚大学攻读博士学位，专注于水凝胶等生物材料的化学工程研究。她希望使用这些材料替代受损的软骨。如今，Qingyuan Bian担任了温哥华大学衍生企业Chondros Bio的高级科学家。

软骨修复至今仍是一项重大的临床难题。目前的标准疗法“微骨折手术”是在受损部位下方的骨骼上钻出细小孔洞，以刺激人体自行生成替代性软骨组织。然而，由此生成的纤维软骨在结构上与天然软骨存在差异，强度往往也不及后者。水凝胶被视为一种具有前景的替代方案，因为它与关节的天然环境相似，有助于更好地愈合。然而，要找到一种水凝胶配方，既能生成强韧、耐久、可与人体良好融合的替代性软骨组织，又能防止不必要的骨骼与血管增生，绝非易事。

博士研究期间，Qingyuan Bian研发出一种由两种不同蛋白质层构成的水凝胶。其中一层由细菌中发现的一种蛋白质组成，另一层则由仿照某种蜘蛛丝结构、经生物工程改造而成的蛋白质构成7。通过将这些蛋白质中线性排列的氨基酸链转化为三维结构（这一过程称为“蛋白质折叠”），Qingyuan Bian利用这些基于蛋白质的水凝胶设计出了智能材料。作为一种富含水分、多孔、能够模拟关节周围天然细胞外基质的支架材料，这种蛋白质水凝胶所形成的组织比非蛋白质类替代材料更接近天然软骨。基于蛋白质的生物材料通常具有更好的生物相容性，Qingyuan Bian所研发的配方造就了一种兼具天然软骨特性、排异风险更低的材料。

在此基础上，Qingyuan Bian及其同事进一步设计出经基因改造的水凝胶，成功在12周内修复了兔子的软骨缺损⁸。“那是一次重大突破。”她回忆道。此前这类方法在耐久性方面尚不足以应用于膝关节、髋关节等承重关节。为解决这一问题，他们引入了一种新的方式来排列和折叠水凝胶蛋白质链，从而改善了材料性能。

Qingyuan Bian的科研之路并非一帆风顺。她的研究始于新冠疫情期间，彼时实验室的关闭曾一度拖慢了研究进度。“当我重返实验室时，很难找到明确的研究方向，”她说道。通过与导师和实验室前同事不断沟通，在他们的支持下，她最终为自己的博士课题找准了方向，在《自然》期刊上发表了论文，还催生出两项正在申请专利的产品。然而，将这些成果从临床前阶段转化为可供患者实际使用的产品，仍然是“最具挑战性的部分”。

为加速这一进程，Qingyuan Bian与其博士生导师Hongbin Li，以及不列颠哥伦比亚大学的创新顾问Bob Mighell共同创立了衍生企业Chondros Bio。“我们希望尽快将新型软骨修复产品带给患者, ”她说。OsteoChon是基于她的研究成果开发的水凝胶植入物，也是该公司的主打产品，目前正处于临床前研究与开发阶段。

医疗应用并不是Qingyuan Bian唯一关注的方向。她认为，蛋白质工程是一个正在快速发展的领域，同时也能够帮助提高产品的可持续性。“如果我们希望持续推进高分子材料的研发，那么寻找减少废弃物的方法同样至关重要。”她说。在最近发表的一篇论文中⁹，她通过调控蛋白质折叠态与去折叠态之间可逆化学相互作用，研发出一种可重塑、可回收的蛋白质水凝胶。回收所得的蛋白质可被重新用于医学以外的多个领域，包括柔性电子、水质净化、软体机器人以及环保包装等。

过去几十年来，女性参与科学研究的比例显著提升，目前全球活跃科研人员中约有40%为女性。然而，在职业发展和领导岗位晋升方面，女性科研工作者仍面临诸多障碍。这是自然指数首次推出以女性与科学为主题的增刊，将探讨全球范围内女性在科研领域的参与度、职业留存情况和领导力发展的趋势，并介绍那些在各自研究领域取得突出成就的杰出女性科学家。

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