自然界经过长期进化形成了丰富而精巧的结构与功能体系。从变色龙皮肤的动态结构色、蝴蝶鳞片的周期性光子结构，到生物体系对外界环境的精准识别与响应调控，这些天然机制为新型智能材料、生物传感和精准治疗提供了重要科学启发。

近年来，仿生研究正由早期的形态复制逐步向结构规律提取和功能机制重构发展。如何从天然生命体系中提取具有普适性的结构与功能规律，并将其转化为能够解决复杂环境感知和生命健康问题的人工材料与器件，是当前仿生材料研究的重要方向。

近期，中国科学院成都生物研究所闫志英团队汪婧婷课题组围绕仿生智能材料与生物界面调控开展研究，在仿生光子晶体生物传感和智能抗菌治疗两个方向取得系列进展，从“仿生感知”到“生物体微环境响应”，探索了自然结构与生命功能在人工智能材料中的转化应用。

仿生天然光子结构，实现复杂环境中的可靠感知

自然界中的变色龙、蝴蝶和甲虫等生物体具有精巧的光子结构，能够通过微纳尺度结构及其动态变化调控光的传播、反射和颜色表达。受此启发，仿生光子晶体能够将材料结构或折射率的微小变化转化为颜色、反射峰或荧光信号，在生物检测、食品安全和环境监测等领域展现出重要应用潜力。

然而，光子晶体的高灵敏度也意味着其容易受到复杂环境因素的影响。盐度、pH、浊度以及非特异性吸附等均可能引起类似的光学响应，使仿生传感器面临“能够看到信号”但“难以可靠判断目标变化”的问题。

针对上述问题，汪婧婷课题组联合吉林大学任露泉院士、赵杰教授，中南大学刘林鹏副教授及四川大学相关研究人员，系统梳理了仿生光子晶体由终点结构响应向动态可靠检测发展的研究路径。研究提出，仿生设计的核心并非简单复制天然生物的形貌，而是从变色龙皮肤、蝴蝶鳞片和甲虫外骨骼等天然光子结构中提取周期排列、孔道结构、软质基体和界面识别等可转移机制，并赋予其明确的传感功能。在此基础上，团队提出了材料层与系统层相结合的动态传感框架。在材料层，通过体相结构响应、孔道介导的质量传递和界面识别实现动态信号产生；在系统层，则通过空间编码和时间序列读出，进一步记录响应、恢复、滞后及基线漂移等信息，从而提升复杂样品中的信号判读能力，为仿生光子晶体传感器由实验室中的“结构响应”走向复杂环境中的“可靠检测”提供了新的研究路径。

仿生光子晶体从天然结构启发到动态可靠检测的总体框架

动态仿生光子晶体生物传感的四级可靠性评价框架

从生命功能到智能治疗：构建智能抗感染微针材料

自然启发不仅来自生物体的形态与结构，也来自生命体系在复杂环境中表现出的识别、响应和协同调控能力。将这些功能机制转化为人工材料的设计语言，是发展智能生物材料和精准治疗体系的重要路径。

季铵化合物具有优异的广谱抗菌能力，但其固有的细胞毒性和促炎作用，使抗菌疗效与生物相容性之间长期存在难以兼顾的矛盾，限制了该类抗菌材料的进一步应用。

针对上述问题，汪婧婷课题组联合山东第一医科大学蒋如剑副教授、郝凌婉博士，吉林大学赵杰教授等相关研究人员对传统季铵类抗菌材料进行功能重构。研究人员将季铵阳离子与具有抗炎活性的阴离子有机组分进行离子配对，构建了微波响应型功能离子液体，并进一步将其封装于具有细菌靶向能力的空心聚多巴胺纳米颗粒中。

微波响应性离子液体复合微针作用机制示意图

该体系通过细菌靶向、外部刺激响应和局部协同作用，实现了对细菌和宿主细胞的选择性调控。在微波刺激下，材料产生局部热效应并与季铵组分协同增强杀菌作用，同时有效降低传统季铵化合物带来的细胞毒性和局部炎症反应。

进一步地，研究团队将该功能纳米体系复合至聚合物微纳基质中，构建智能抗菌治疗体系。在小鼠皮下脓肿感染模型中，该体系表现出优异的抗菌和抗炎性能，实现99.8%的高效杀菌，并能够促进感染部位炎症消退和组织修复。

复合微针的体内生物学效果评价

从自然启发到仿生功能设计并应用于生命健康领域

两项研究分别面向生物传感和抗感染治疗，但其背后具有共同的科学逻辑：即从自然生命体系中寻找能够解决实际问题的结构规律与功能机制，并通过人工材料进行重构。

相关成果分别发表于Advanced Bionics及Acta Biomaterialia期刊。其中，仿生光子晶体研究以“Biomimetic photonic crystals in biosensing: From endpoint structural response toward dynamic and reliable detection”为题发表，吴孟璠博士和胡悦博士为共同第一作者，中国科学院成都生物研究所汪婧婷青年研究员为通讯作者；智能精准抗菌研究以“Quaternary Ammonium Compound-Based lonic Liquid with Microwave Responsiveness for Treating Deep Tissue Infections without Compromising Biocompatibility” 为题发表，山东第一医科大学和中国科学院成都生物研究所联合培养硕士生李泽祥为本文第一作者，中国科学院成都生物研究所汪婧婷青年研究员为共同通讯作者。以上研究得到国家自然科学基金、四川省杰出青年科学基金、四川省科技计划和中国博士后科学基金支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.abs.2026.08.006、https://doi.org/10.1016/j.actbio.2026.08.024