動(dòng)態(tài)生物材料是一類能夠進(jìn)行構(gòu)象變化的可以模擬人造組織結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)轉(zhuǎn)變的材料，其能被利用制作成能夠?qū)Νh(huán)境做出反應(yīng)并發(fā)生變化的模擬軟體機(jī)器人。當(dāng)前最常見(jiàn)的形狀可變形材料是基于高分子聚合物材料交聯(lián)的，并且需要在硬和軟的硬度之間切換。這些材料通常依賴于兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)骨架，共享相同的三維（3D）空間，或?qū)π‰x子具有化學(xué)反應(yīng)。但是這一類材料的初始形狀恢復(fù)是需要從硬相到軟相的轉(zhuǎn)換，并且這種轉(zhuǎn)化需要通過(guò)損害次級(jí)網(wǎng)絡(luò)的完整性、通過(guò)改變溫度、酸堿度或溶劑類型或光調(diào)控催化聚合物網(wǎng)絡(luò)二次交聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
基于蛋白質(zhì)的水凝膠在富含水的環(huán)境中使用蛋白質(zhì)作為它們的主要網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成組分，因此這些水凝膠保留了聚合物基材料的許多特性，但可以從更多樣的生物功能庫(kù)中獲得。蛋白質(zhì)完成許多維持生命的功能，例如生物體組織結(jié)構(gòu)的構(gòu)成和新陳代謝酶促反應(yīng)性，并且在大多數(shù)情況下它們的功能與它們折疊的3D結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。盡管起始材料有很大的多樣性，但是蛋白質(zhì)材料在更窄的溫度、酸堿度或鹽條件范圍內(nèi)是穩(wěn)定和有功能的，并且需要水基環(huán)境。由于材料的機(jī)械響應(yīng)直接取決于其組成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的濃度，基于蛋白質(zhì)的水凝膠可獲得的硬度范圍極其有限:蛋白質(zhì)需要高于臨界膠凝濃度才能轉(zhuǎn)化為生物材料，并低于其特定溶解度極限，并且大多數(shù)蛋白質(zhì)凝膠材料只允許硬度變化約10%至30%的這個(gè)狹窄的范圍。球狀蛋白質(zhì)具有清晰的三維結(jié)構(gòu)，就像堅(jiān)硬的球體一樣，這種結(jié)構(gòu)完整性提供了對(duì)交聯(lián)點(diǎn)和密度的極好控制，同時(shí)保持了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的三級(jí)結(jié)構(gòu)。基于聚合物的水凝膠已經(jīng)發(fā)現(xiàn)形狀記憶和形狀變形的各種應(yīng)用，雖然這些方法可以制成生物相容的可變形材料，但是聚合物不能達(dá)到和蛋白質(zhì)一樣的多樣性和對(duì)序列結(jié)構(gòu)的控制。因此，威斯康星大學(xué)密爾沃基分校Ionel?Popa課題組在Science?Advance發(fā)文介紹一種創(chuàng)新的方法來(lái)編程蛋白質(zhì)水凝膠，并在室溫下和水溶液中的誘導(dǎo)形狀變化。
具體步驟：
這里，本文使用通過(guò)[Ru(bpy)3]2+的光活化來(lái)獲得由牛血清白蛋白(BSA)制成的基于蛋白質(zhì)的水凝膠(圖1)。該反應(yīng)顯示在相鄰蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域之間暴露的酪氨酸氨基酸位點(diǎn)產(chǎn)生共價(jià)碳-碳鍵。使用光來(lái)引發(fā)交聯(lián)反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)是，這種方法允許以所需的形狀裝載反應(yīng)混合物并且在光照前的粘度沒(méi)有任何變化。
本文第一步是探究?jī)蓚€(gè)帶正電離子的濃度可能會(huì)增加蛋白質(zhì)水凝膠的硬度的范圍，并能允許蛋白水凝膠形狀編程的程度。首先使用內(nèi)徑為0.56毫米的聚四氟乙烯管作為模具來(lái)合成牛血清白蛋白圓柱形水凝膠。這些凝膠然后通過(guò)兩個(gè)金屬鉤分別連接到音圈電機(jī)和力傳感器(圖2)并附著在鉗流變儀中。在所需陽(yáng)離子濃度的磷酸鹽緩沖鹽水中孵育30分鐘后，在0-至4-千帕范圍內(nèi)測(cè)量經(jīng)處理的牛血清白蛋白水凝膠的機(jī)械響應(yīng)?(圖2)?。當(dāng)所施加的力隨時(shí)間線性增加時(shí)，應(yīng)力隨應(yīng)變的變化可用于評(píng)估材料的剛度，因?yàn)檑E線上升部分的斜率直接反映動(dòng)態(tài)楊氏模量。通常，由球狀蛋白質(zhì)如牛血清白蛋白制成的水凝膠在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上也顯示出滯后現(xiàn)象(圖2A)。當(dāng)暴露于化學(xué)變性劑時(shí)，BSA水凝膠的這種滯后現(xiàn)象消失，化學(xué)變性劑破壞了形成水凝膠網(wǎng)絡(luò)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域的三級(jí)結(jié)構(gòu)。當(dāng)用Cu2+處理時(shí)，BSA水凝膠顯示出高達(dá)5倍的剛度增加?，在Zn2+存在時(shí)顯示出17倍的剛度增加?(圖2B)。當(dāng)用聚電解質(zhì)處理時(shí)，BSA水凝膠在2 M Zn2+中的硬度比報(bào)道的相同凝膠的硬度大幾個(gè)數(shù)量級(jí)并且應(yīng)該允許更復(fù)雜的程序化形狀。因此，硬化效應(yīng)似乎更多地取決于陽(yáng)離子的溶液濃度，而不是它們的性質(zhì)(圖2B)。與Cu2+相比，Zn2+的主要優(yōu)勢(shì)在于其在水中的溶解度更高，這使得在研究中能夠制備更高濃度的溶液，并觀察到更強(qiáng)的硬度。
除了硬化效應(yīng)之外，蛋白質(zhì)水凝膠在高濃度陽(yáng)離子溶液中的孵育改善了它們的機(jī)械失效性質(zhì)。對(duì)于這些測(cè)試，我們使用典型的骨骼形狀，其中BSA水凝膠被延長(zhǎng)，直到我們的力傳感器失效或達(dá)到最大力范圍(圖3A)。BSA基水凝膠顯示出隨著陽(yáng)離子濃度的增加，韌性和破壞應(yīng)力都增加。測(cè)得的韌性表示材料吸收能量和變形而不斷裂的能力，由拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積得出(圖3B和3C，左)，隨著陽(yáng)離子濃度從1 kJ/mol增加到2.8 kJ/mol。失效應(yīng)力從15千帕增加到33千帕。最大伸長(zhǎng)率沒(méi)有顯示出隨陽(yáng)離子濃度的顯著變化。這表明盡管剛度可能是由蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域和非共價(jià)連接在約120%時(shí)的機(jī)械穩(wěn)定性的增加而給出的，但是BSA水凝膠的主要網(wǎng)絡(luò)是經(jīng)歷共價(jià)鍵的不可逆斷裂后開(kāi)始失效。因此，交聯(lián)幾何結(jié)構(gòu)是凝膠拉伸的限制因素，初級(jí)水凝膠網(wǎng)絡(luò)需要細(xì)化提高最大拉伸率。
前面的研究結(jié)果證明了利用浸沒(méi)在Zn2+和Cu2+溶液中引起的BSA水凝膠硬度的巨大變化，本文接著將圓柱鑄造的生物材料編程為彈簧形狀，將花鑄造的材料編程為環(huán)形?(圖4)。剛度增加約6.5倍已經(jīng)足以將BSA水凝膠編程為彈簧形狀，Zn2+和Cu2+都誘導(dǎo)足夠強(qiáng)的剛性?(高達(dá)約17倍)。與聚電解質(zhì)相比，小離子的主要優(yōu)勢(shì)在于它們的擴(kuò)散速度相對(duì)較快(< 5分鐘)。此外，在本例中，形狀變形是由簡(jiǎn)單的擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)的并且不需要借助化學(xué)變性劑來(lái)破壞初級(jí)蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。在陽(yáng)離子存在下，BSA水凝膠楊氏模量增加的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以獲得更復(fù)雜的形狀。例如，我們演示了從環(huán)形到花朵形狀的變形(圖4，底部)。為了獲得這種復(fù)雜的形狀變形，我們首先使用硅樹(shù)脂模具將水凝膠鑄造成花狀。在光活化交聯(lián)反應(yīng)之后，我們通過(guò)將水凝膠安裝在塑料管上將其編程為環(huán)形，然后將其浸入陽(yáng)離子溶液中30分鐘。當(dāng)從塑料管移至相同濃度的Zn2+溶液中時(shí)，水凝膠保持環(huán)形?(圖4B，左下方)。然而，當(dāng)浸入常規(guī)的Tris緩沖液中時(shí)，環(huán)形形狀迅速變形為原始的花朵形狀(圖4B)。
總結(jié)與展望:
1、本研究展示的方法能夠在基于蛋白質(zhì)的水凝膠中實(shí)現(xiàn)形狀變形，這種方法依賴于由Zn2+和Cu2+誘導(dǎo)的硬化來(lái)將永久形狀編程為新的臨時(shí)構(gòu)型，并且這些離子在材料外部的擴(kuò)散使得能夠恢復(fù)原始形狀。Zn2+將實(shí)現(xiàn)更多的生物學(xué)相關(guān)應(yīng)用，因?yàn)樗菴u2+毒性小得多。
2、陽(yáng)離子程序蛋白水凝膠的主要優(yōu)點(diǎn)是可獲得的硬度比常規(guī)緩沖液高得多 (約17倍), 能夠以復(fù)雜的形狀進(jìn)行程序設(shè)計(jì)并且小離子的快速擴(kuò)散導(dǎo)致快速不可逆變形 (< 5分鐘). 此外，形狀變化發(fā)生在室溫下的水性環(huán)境中，這與人體中存在的條件相適應(yīng)。基于蛋白質(zhì)水凝膠和陽(yáng)離子的永久形狀變形將來(lái)有望可用于各種植入物和可注射水凝膠的應(yīng)用中。
3、這里展示的從暫時(shí)到永久的形狀變形方法不需要水凝膠內(nèi)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域的三級(jí)結(jié)構(gòu)變性。因此，這種方法允許保留形成水凝膠骨架的蛋白質(zhì)的功能, 提供了讓生物模擬材料動(dòng)態(tài)多樣性和可控形態(tài)編程能力的顯著結(jié)合的一種創(chuàng)新研究策略。
