編輯丨王多魚

排版丨水成文

從橋梁結(jié)構(gòu)在特定頻率風(fēng)載下顯著振動(dòng)，到歌手飆出高音使玻璃杯微微震顫；從老式收音機(jī)調(diào)臺(tái)時(shí)捕捉到清晰信號(hào)，到微波爐使食物中的水分子高效發(fā)熱 ——這些現(xiàn)象背后都有一個(gè)共同的物理原理——共振。

當(dāng)外界激勵(lì)的頻率與系統(tǒng)的固有頻率匹配時(shí)，能量高效傳遞，振動(dòng)幅度急劇放大。這一原理不僅廣泛存在于聲學(xué)、機(jī)械、電磁等工程領(lǐng)域，也為生物醫(yī)學(xué)的創(chuàng)新提供了重要啟示。

2025 年 9 月 24 日，浙江大學(xué)藥學(xué)院、金華研究院和先進(jìn)藥物遞釋系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室顧臻教授、王金強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)（魏鑫偉研究員為第一作者）在 Nature 子刊Nature Biomedical Engineering上發(fā)表了題為：An artificial cilia-based array system for sound frequency decoding and resonance-responsive drug release 的研究論文。

研究團(tuán)隊(duì)受耳蝸中毛細(xì)胞感知聲波振動(dòng)的啟發(fā)，開發(fā)了一種仿生纖毛陣列，通過聲學(xué)共振機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼琴音樂和語音等聲音信號(hào)的可視化解析，并利用可聽頻率聲波實(shí)現(xiàn)共振響應(yīng)的藥物遞釋。

聲音在人類感知和交流中扮演著獨(dú)特而重要的角色。當(dāng)前的聲音檢測技術(shù)多依賴于聲音采集設(shè)備、放大器和復(fù)雜算法協(xié)同作用。而在人類聽覺系統(tǒng)中，感知聲音的過程則更為精巧——耳蝸中的基底膜和毛細(xì)胞隨著外部聲波信號(hào)發(fā)生共振，毛細(xì)胞通過其高度特化的纖毛束的偏轉(zhuǎn)，將聲波振動(dòng)轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號(hào)。這一過程中，毛細(xì)胞頂部的纖毛結(jié)構(gòu)發(fā)揮了重要作用。

人類耳蝸中的毛細(xì)胞（Hair cell）含有長短不一的纖毛（cilia），這些纖毛能夠感知各種聲學(xué)信號(hào)。具體來說，耳蝸中的基底膜和毛細(xì)胞隨著外部聲波發(fā)生共振，毛細(xì)胞通過其高度特化的纖毛束的偏轉(zhuǎn)，將聲波振動(dòng)轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號(hào)，從而感知到聲音。

受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)基于聲學(xué)共振原理，開發(fā)了一種基于人工纖毛的聲音解碼裝置，其能夠直接識(shí)別并響應(yīng)聲音頻率，而無需依賴電力和算法。

研究團(tuán)隊(duì)利用三維建模和高精度 3D 打印技術(shù)，模擬了耳蝸種毛細(xì)胞的纖毛結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并制備了微米級(jí)（40-200 微米）人工纖毛陣列，其具有不同的長度/直徑比（30-100），能夠感知并解碼聲音頻率信號(hào)（100-6000 赫茲），基本涵蓋了人類聽覺主要范圍。研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了這些人工纖毛陣列的聲音頻率識(shí)別能力，其能夠解碼來自揚(yáng)聲器播放的鋼琴音樂《一閃一閃小星星》，以及更加復(fù)雜的人聲信號(hào)。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索了這些人工纖毛陣列在液體環(huán)境中的共振特性，在壓電換能器（PZT）特定頻率的聲學(xué)刺激下，相應(yīng)的人工纖毛陣列振動(dòng)，可顯著加速周圍液體流動(dòng)，證實(shí)了人工纖毛的聲學(xué)共振可有效促進(jìn)模型藥物的釋放與擴(kuò)散。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)將人工纖毛陣列應(yīng)用于糖尿病治療——分別將胰島素和胰高血糖素負(fù)載于不同長度/直徑比的人工纖毛上，構(gòu)建共振響應(yīng)性藥物遞送器件，植入1型糖尿病模型小鼠皮下。通過施加不同頻率的聲學(xué)刺激，能夠選擇性觸發(fā)胰島素或胰高血糖素的釋放，從而實(shí)現(xiàn)血糖水平的雙向調(diào)控——頻率 1 能夠觸發(fā)胰島素釋放，將高血糖恢復(fù)正常并維持穩(wěn)定；頻率 2 能夠觸發(fā)胰高血糖素釋放，讓低血糖小鼠血糖快速回升；而多次聲學(xué)刺激還可使未禁食高血糖小鼠的血糖水平先下降后上升，展現(xiàn)出較好的程序控制能力。

受耳蝸毛細(xì)胞啟發(fā)的仿生人工纖毛陣列

展望未來，人工纖毛陣列可以優(yōu)化以覆蓋更廣泛的頻率范圍，并精確解碼諸如聲紋等復(fù)雜聲學(xué)信號(hào)，從而促進(jìn)個(gè)性化任務(wù)。這種人工纖毛陣列能夠檢測和識(shí)別各種人體生理聲音，包括呼吸模式、打鼾、心跳和腸道活動(dòng)等。在特定疾病或癥狀存在的情況下，人體的生理聲音可能會(huì)發(fā)生可辨別的變化，這種人工纖毛陣列可能通過檢測這些聲音的變化來監(jiān)測疾病甚至通過受控藥物釋放進(jìn)行治療。此外，這種人工纖毛陣列還可以作為微型聲學(xué)工具，能夠精確響應(yīng)聲音頻率，并機(jī)械刺激神經(jīng)元和肌肉細(xì)胞，有望用于調(diào)控神經(jīng)轉(zhuǎn)導(dǎo)、肌肉收縮以及心律和血管張力。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41551-025-01505-6