蛋白質(zhì)水凝膠的形狀編程和形變方法新突破！

動態(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或多個網(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)化需要通過損害次級網(wǎng)絡(luò)的完整性、通過改變溫度、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)的三級結(jié)構(gòu)?；诰酆衔锏乃z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[Ru(bpy)3]2+的光活化來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有任何變化。

本文第一步是探究兩個帶正電離子的濃度可能會增加蛋白質(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合成牛血清白蛋白圓柱形水凝膠。這些凝膠然后通過兩個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)變的變化可用于評估材料的剛度，因?yàn)檑E線上升部分的斜率直接反映動態(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數(shù)量級并且應(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)水凝膠在高濃度陽離子溶液中的孵育改善了它們的機(jī)械失效性質(zhì)。對于這些測試，我們使用典型的骨骼形狀，其中BSA水凝膠被延長，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離子濃度的增加，韌性和破壞應(yīng)力都增加。測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。最大伸長率沒有顯示出隨陽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)勢在于它們的擴(kuò)散速度相對較快(< 5分鐘)。此外，在本例中，形狀變形是由簡單的擴(kuò)散驅(qū)動的并且不需要借助化學(xué)變性劑來破壞初級蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。在陽離子存在下，BSA水凝膠楊氏模量增加的另一個優(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)?；诘鞍踪|(zhì)水凝膠和陽離子的永久形狀變形將來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。