目前，机械超材料在生物医学应用中的效用仍很少有研究报道。来自新加坡国立大学的Huilin Shao教授在Nature Biomedical Engineering杂志发表文章，该研究展示了一种对抗体介导的生物识别有机械响应的超材料，对癌症患者腹水中的细胞外囊泡进行分子分析。 
机械超材料因其能够显著改变系统的机械响应而受到越来越多的关注。他们利用精心构造的材料来实现仅靠其材料成分无法实现的奇异行为。在合理设计的架构中有序排列，这些超材料的模块与相邻的模块以集体方式共同作用，为不同的应用产生独特的功能。然而，机械超材料的生物医学发展仍然有限，主要集中在开发用于生物力学和/或结构支撑的超材料；例如，尺寸匹配的几何形状已开发为细胞支架。受其多重特征的启发，例如非线性和形状转换能力，作者推断机械超材料可以提供独特的机会来显著放大微弱的生物分子相互作用。特别是，响应性水凝胶可以成为桥接生物分子事件和机械响应的有希望的候选者。通过材料工程，可以制备各种成分的水凝胶，以识别不同的刺激并产生无数的机械响应（例如体积和刚度变化）；通过先进的制造，水凝胶可以很容易地结构化、图案化和集成。然而，为了开发用于生物信号增强的基于水凝胶的机械超材料，存在一些挑战。首先，尽管超材料可以提供先进的放大机制——通常在非常精细的条件范围内——但由于其可变的交联和/或图案化，水凝胶中很容易错过这一关键的响应窗口。其次，由于大多数水凝胶依赖于凝胶基质内的散装目标扩散来驱动整体响应，因此它们响应缓慢并且缺乏区分刺激空间分布的能力。为了应对这些挑战，该研究开发了一种多功能系统，该系统利用机械超材料的先进行为进行纳米级分子分析。作者将这项技术命名为MORPH（“mechanical metamaterial operating at a critical point for hyper-responsive analysis”），采用基于双响应水凝胶的机械超材料作为形状转换的手性干涉仪。具体来说，MORPH系统通过固化水凝胶超材料的等离子体热调制以超响应状态（临界过渡状态）制备，以在保持图案化几何形状的同时最大化其机械应变。因此，即使在稀疏的情况下，该系统也可以被生物分子刺激激活；这些刺激很容易扰乱临界应变的超材料，并触发其几何形状的手性重组以诱导放大的光学衍射。MORPH系统坚固且灵敏。不同状态的超材料可以精确地调整并锁定到它们各自的临界状态，无论它们的初始制备如何，以增强和区分不同的水凝胶反应（例如溶胀与交联）。由此产生的MORPH信号不仅在幅度上放大，而且响应速度也很快，显示出快速和局部的动力学。作者使用MORPH对整个外泌体进行分子分析，这是一类典型直径为30-200nm的循环细胞外囊泡。利用振幅和动力学分析，作者应用MORPH来表征这些纳米级囊泡的生物标志物组成。该系统实现了灵敏的定量（比标准ELISA提高了103倍；5 μl样品在15 分钟内完成检测）并区分了具有不同生物标志物分布的囊泡混合物。当用于检查癌症患者的腹水样本时，该技术揭示了复杂生物学背景下的外泌体分子特征，从而可以准确区分患者的预后。
该超材料由一种对温度和氧化还原活性有反应的水凝胶组成，该水凝胶用针对细胞外囊泡表面生物标志物的抗体功能化，并在镀金玻璃基板上图案化成微米正方形。通过等离子体加热，超材料保持在松弛形式和屈曲状态之间的过渡状态。来自患者样本的细胞外囊泡与水凝胶上的抗体的结合使其发生交联，这是由与抗体结合的辣根过氧化物酶的活性产生的自由基诱导的。水凝胶交联导致超材料经历快速的手性重组，导致其机械变形和衍射图案发生放大变化，这些变化可以通过智能手机相机检测到。机械超材料可以在生物分子的灵敏光学免疫检测中找到广泛的用途。
Zhao H, Pan S, Natalia A, Wu X, Ong CJ, Teo MCC, So JBY, Shao H. A hydrogel-based mechanical metamaterial for the interferometric profiling of extracellular vesicles in patient samples. Nat Biomed Eng. 2022 Oct 27. doi: 10.1038/s41551-022-00954-7. PMID: 36303008.外泌体资讯网 Nat Biomed Eng：机械超材料在细胞外囊泡分析中的应用，具备疾病诊断/预后潜力
