近日，北京航空航天大学机械工程及自动化学院徐晔教授团队与医学科学与工程学院常凌乾教授团队合作，在国际顶级学术期刊《Cell》发表柔性生物电子功能器件方向重要研究成果。这是北航作为第一完成单位在《Cell》上发表的首篇论文，标志着学院在医工交叉研究方向取得了重要突破。

团队提出了基于“剪纸结构力学”的器官定制化共形理论，并构建出一款柔性高共形生物电子器件，实现了与复杂器官表面的精准贴合与高效药物/基因递送。研究成果以“An organ-conformal, kirigami-structured bioelectronic patch for precise intracellular delivery”为题，于2026年1月27日发表于《Cell》。

 

   该研究由徐晔教授与常凌乾教授联合指导，机械学院博士研究生杜腊梅（现为河北工业大学生命科学与健康学院讲师）为共同第一作者。合作单位包括北京大学第一医院、香港城市大学、美国伊利诺伊大学香槟分校等国内外知名科研机构。本研究的作者还包括我院张秋婷教授（国家级青年人才）和杨绍华博士（“卓越百人”博士后）。

面向复杂器官递送挑战，亟需高共形柔性解决方案

   在肿瘤及其他重大疾病的治疗中，实现对病变器官表面的局部精准干预，是提升疗效、降低毒副作用的关键。以卵巢疾病治疗为例，携带BRCA1等遗传突变的卵巢癌高危女性患者，为降低癌变风险，目前临床普遍建议手术切除器官，但这将导致患者永久丧失生育功能。传统全身性给药或基因递送方法（如口服、注射）常因路径长、靶向性差，往往疗效有限，甚至可能误伤周围正常细胞。即便如纳米电穿孔等局部物理递送技术，也因器件与组织表面共形贴合能力不足，难以在复杂器官表面实现安全、高效的全覆盖精准干预，更无法有效规避对正常细胞的干扰，存在效率低、风险高的瓶颈。因此，开发兼具高度共形贴合与精准递送功能的生物电子器件，成为临床治疗的迫切需求。

汲取“剪纸艺术”灵感，建立器官定制共形理论

   面对这一核心需求，徐晔教授团队基于旋转刚性负泊松比结构单元构建的剪纸超材料，创造性提出“器官定制化剪纸共形设计理论”。该理论首次以“有效面积覆盖率”为核心优化指标，建立起器件剪纸结构单元几何参数、材料力学属性与器官曲率之间的定量构效关系。通过对任意器官进行三维扫描建模，该共形理论可给出最优剪纸结构参数，实现剪纸结构与功能之间的最佳平衡。基于该理论，研究团队针对卵巢、肾脏等多种靶器官，定制化设计了相应的剪纸结构贴片，使其在器官复杂曲面上实现自适应贴合与功能最大化。研究结果表明，定制化设计的剪纸贴片在不同器官表面的有效共形覆盖率均超过95%，有效突破了传统柔性贴片“共形性与功能区保留不可兼得”的设计难题。

 

图1 基于剪纸结构力学的曲面共形贴敷理论与设计准则

微纳加工打造器官的“电子外衣”

   依托该理论，研究团队构建出一种具备多层功能结构的柔性“电子外衣”——POCKET器件。其关键结构包括纳米孔阵列膜、水凝胶储药层、银纳米线电极层及柔性封装层，整体通过飞秒激光进行精细剪纸图案加工，实现在卵巢、肾脏等器官表面的高度共形、高覆盖率的贴合。该器件能够在电场作用下，通过底层纳米孔阵列与目标细胞精准的空间对位，产生电场聚焦效应，继而接触“纳米电穿孔”机制，有效打开细胞膜，并驱动药物或基因负载的高速进入细胞，大幅提升细胞内递送效率和空间精度。

 

图2 定制化共形POCKET器件实现器官复杂表面的高覆盖率共形贴敷

生物疗效验证：从卵巢防癌到肾脏修复

   研究团队在多种动物模型和人类离体组织中验证了POCKET器件的适用性。在卵巢癌预防模型中，器件实现了对表层体细胞的精准基因递送，有效降低了DNA损伤水平并保留了生殖功能。在肾脏损伤模型中，器件完成了抗炎药物的局部递送，促进器官修复，同时显著降低了传统口服药物带来的副作用。

 

图3 POCKET器件实现卵巢的精准基因治疗及时间可控的肾脏长期给药

学科交叉融合，赋能原创突破

   近年来，学院高度重视并持续支持学科交叉研究，积极推动仿生微纳制造、材料加工、机器人等传统优势学科方向与生命健康领域的深度融合，鼓励青年学者开展跨学科合作，孵化原创性科研成果。本研究充分体现了柔性结构力学、微纳制造与生物医学的深度融合，为复杂组织界面问题提供了机械工程与力学学科的创新视角。

   徐晔教授团队长期聚焦软物质与生物表界面力学，在本研究中通过“剪纸结构设计”方法，展现了软物质与柔性结构力学在医学器械发展中的独特价值。本研究工作始于2021年暑假期间与常凌乾教授团队的跨学科研讨，随后组建联合团队历时四年多的持续探索与攻关，期间克服了多个关键技术瓶颈，最终实现重大突破。该成果不仅为临床基因治疗和药物递送开辟了新路径，也为器官电子接口、再生修复等领域提供了坚实的理论基础与先进的技术方案。

论文链接：Wang et al., 2026, Cell 189, 1–22; https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.12.021

共同通讯作者：

 

徐晔，北京航空航天大学机械工程及自动化学院教授，国家级青年人才，现任北航中西智能学院院长。长期从事软物质与生物表界面力学及智能柔性复合材料领域的交叉学科研究，主持多项国家自然科学基金项目及国家科技重大专项课题，以第一作者或通讯作者身份发表Cell、PNAS、Science Advances、Advanced Functional Materials等期刊论文40余篇。

 

共同第一作者：

 

杜腊梅，博士毕业于北京航空航天大学机械工程及自动化学院，导师为徐晔教授。现为河北工业大学生命科学与健康学院“元光学者”，硕士生导师，研究方向为柔性力学超材料结构设计、功能复合超材料。近五年在Cell、Advanced Functional Materials、ACS Nano等发表SCI论文5篇。

 

共同作者：

张秋婷，北京航空航天大学机械工程及自动化学院教授，国家级青年人才。主要从事表界面力学、仿生功能表面、智能软材料等的理论和应用研究，其中包括基于薄膜失稳的多功能微纳表面制造及柔性电子材料制备、智能折纸/剪纸超材料应用于软体机器人、生物传感与贴片等领域。近年来在PNAS、JMPS、Adv. Funct. Mater.等顶级学术期刊上共发表SCI论文30余篇。主持国家自然科学基金青年基金、“敢为”重点项目等。

 

 

杨绍华，博士毕业于北京航空航天大学机械工程及自动化学院，师从徐晔教授，期间获国家留学基金委（CSC）资助赴苏黎世联邦理工学院联合培养。现为北航“卓越百人”博士后，合作导师为陈华伟教授，主要从事软物质力学领域研究，研究方向聚焦于软材料界面接触与粘附的微细观力学机制、水凝胶冷冻损伤机理等方面，相关研究成果已发表于Science Advances，Extreme Mechanics Letters等期刊。