近日，香港大学吴昌进、唐晋尧教授团队在《美国化学会志》（JACS）发表突破性成果，首次在二元活性胶体体系中实现化学诱导类铁性相转变与高效集群趋化，攻克人工活性物质信号放大不足的瓶颈，为微型智能载体精准医疗落地奠定关键基础。该论文被选为当期封面论文。

自然界中，细菌迁徙、胚胎细胞归巢、免疫细胞靶向清除病原体的 “集体趋化”，是生命体系利用微弱化学信号调控的核心智慧。长期以来，人工活性物质难以复刻这种 “群体智能”，传统集群要么缺乏高效信号放大机制，要么无法实现长程协同定向运动，难以满足实际应用需求。

港大团队深耕活性物质领域多年，2021 年于《自然・纳米技术》（Nature Nanotechnology）发表开创性成果，以离子交换反应构建出具备集体行为的合成活性集群；时隔四年，团队完成从 “基础集体组装” 到 “精准化学趋化” 的跨越，首创 “类铁化学相” 实现万倍级信号放大，并成功应用于牙菌斑生物膜靶向清除，为微型智能载体临床转化开辟新路径。

奠基之作：离子交换搭建人工集群通信桥梁

2021 年的研究中，团队以氧化锌纳米棒与磺化聚苯乙烯微球为核心，开创性地将离子交换反应作为 “化学通信桥梁”。氧化锌纳米棒在水溶液中溶解释放离子并自主运动，磺化聚苯乙烯微球吸附离子并释放质子，形成 “废物 - 养分” 正向反馈循环，让独立颗粒建立紧密化学联动。

这一动态耦合使体系呈现集体行为：微观形成核壳复合集群，宏观在容器中自发相分离，在不规则模具中能突破干扰集体迁移至曲率最大角落，展现类似蚁群的决策能力。该研究证实离子交换可作为人工活性物质通用通信机制，打破了依赖光、电物理场调控的局限，但也存在短板：氧化锌纳米棒掺杂功能离子易降解，集群仅能基础聚集，缺乏微弱化学梯度感知与放大能力，无法满足靶向医疗需求。

全新突破：类铁化学相解锁超灵敏信号放大

2025 年最新研究精准攻克前期短板，核心亮点是材料迭代与新相态发现。团队将氧化锌替换为锗酸锌纳米棒，既保留离子释放与 pH 响应特性，又凭借稳定晶体结构避免功能离子掺杂后坍塌，为加载抗菌功能提供支撑；同时，锗酸锌与磺化聚苯乙烯的离子交换催生极性动态集群，为新相态创造条件。

研究最核心的创新是 “类铁化学相” 的发现：体系在特定配比下，集群呈现类似铁磁体的长程有序极化，锗酸锌与磺化聚苯乙烯分别富集形成 “质子汇” 与 “质子源”，整体如同巨型 “化学偶极子”，极化方向可随外部化学梯度偏转。团队通过经典伊辛模型阐释，当离子交换反应速率达临界水平，离子交换单元从无序转为长程有序排列，完成二级相变。

类铁化学相的核心优势是万倍级信号放大能力，能将外部微弱质子信号转化为宏观定向驱动力，即便在极微弱酸碱差异环境中，仍能稳定定向迁移，速度远超同类体系。此外，集群具备卓越协同性，多个独立集群可极化对齐、融合壮大，长时间实验中无 “掉队”“散群” 现象，稳定性显著更优。

应用落地：靶向趋化破解牙菌斑清除难题

从基础研究到应用转化是成果的重要亮点。团队利用锗酸锌稳定性，掺杂银离子形成功能化纳米棒，构建出兼具靶向趋化与抗菌活性的集群，针对牙菌斑生物膜开展验证。

牙菌斑致病菌代谢产生的酸性物质，成为集群的趋化信号。在模拟口腔环境的人工唾液体系中，分散集群能从较远距离感知信号，定向迁移至生物膜表面。传统抗菌剂难以渗透生物膜、触及牙窝沟等隐蔽区域，而该集群可主动趋化深入 “死角”，局部释放银离子破坏细菌细胞膜，实现高效消杀。

实验显示，功能化集群处理组的牙面生物膜量较单纯功能纳米棒组大幅降低；龋坏牙齿切片证实，银元素可递送至牙窝沟深层，而传统抗菌剂在此区域几乎无分布。磺化聚苯乙烯的磺酸盐基团能在复杂离子环境中维持稳定离子交换，保障集群生理活性，为临床转化扫清障碍。

科学图景：跨学科融合重塑精准医疗生态

从离子交换集群到类铁化学趋化体系，港大团队实现了人工活性物质从 “集体行为” 到 “功能化应用” 的关键跨越。理论层面，首次将铁性相概念引入非平衡态活性物质领域，建立化学极化与信号放大的定量关联；技术层面，万倍级信号放大解决趋化灵敏度瓶颈，锗酸锌迭代打通功能化掺杂与结构稳定性的矛盾。

该成果应用价值远超口腔医疗：靶向药物递送领域可感知肿瘤微环境酸性信号精准归巢；环境治理领域可设计离子响应型集群捕获污染物；微型机器人领域可为集群机器人提供无中心协同操控方案。

这项工作的顺利推进，得到中科院物理所杨明成教授的理论支持与香港大学牙医学院牛赟、朱振雄教授团队的实验协助，是跨学科协作的成功典范。未来，随着更多功能化体系的开发，这些 “会思考、能赶路” 的微观集群将为医疗、环境、工业等领域提供新的范式。（供稿人：白小果）