蛋白质水凝胶的形状编程和形变方法新突破!

动态生物材料是一类能够进行构象变化的可以模拟人造组织结构形态学转变的材料,其能被利用制作成能够对环境做出反应并发生变化的模拟软体机器人。当前最常见的形状可变形材料是基于高分子聚合物材料交联的,并且需要在硬和软的硬度之间切换。这些材料通常依赖于两个或多个网络骨架,共享相同的三维(3D)空间,或对小离子具有化学反应。但是这一类材料的初始形状恢复是需要从硬相到软相的转换,并且这种转化需要通过损害次级网络的完整性、通过改变温度、酸碱度或溶剂类型或光调控催化聚合物网络二次交联来实现。

基于蛋白质水凝胶在富含水的环境中使用蛋白质作为它们的主要网络的构成组分,因此这些水凝胶保留了聚合物基材料的许多特性,但可以从更多样的生物功能库中获得。蛋白质完成许多维持生命的功能,例如生物体组织结构的构成和新陈代谢酶促反应性,并且在大多数情况下它们的功能与它们折叠的3D结构直接相关。尽管起始材料有很大的多样性,但是蛋白质材料在更窄的温度、酸碱度或盐条件范围内是稳定和有功能的,并且需要水基环境。由于材料的机械响应直接取决于其组成网络节点的浓度,基于蛋白质的水凝胶可获得的硬度范围极其有限:蛋白质需要高于临界胶凝浓度才能转化为生物材料,并低于其特定溶解度极限,并且大多数蛋白质凝胶材料只允许硬度变化约10%至30%的这个狭窄的范围。球状蛋白质具有清晰的三维结构,就像坚硬的球体一样,这种结构完整性提供了对交联点和密度的极好控制,同时保持了网络节点的三级结构。基于聚合物的水凝胶已经发现形状记忆和形状变形的各种应用,虽然这些方法可以制成生物相容的可变形材料,但是聚合物不能达到和蛋白质一样的多样性和对序列结构的控制。因此,威斯康星大学密尔沃基分校Ionel Popa课题组Science Advance发文介绍一种创新的方法来编程蛋白质水凝胶,并在室温下和水溶液中的诱导形状变化。

蛋白质水凝胶的形状编程和形变方法新突破!

 

具体步骤:

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图1: 利用光活化反应制备基于牛血清白蛋白的蛋白质水凝胶的过程。

这里,本文使用通过[Ru(bpy)3]2+的光活化来获得由牛血清白蛋白(BSA)制成的基于蛋白质的水凝胶(图1)。该反应显示在相邻蛋白质结构域之间暴露的酪氨酸氨基酸位点产生共价碳-碳键。使用光来引发交联反应的优点是,这种方法允许以所需的形状装载反应混合物并且在光照前的粘度没有任何变化。

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图2: 蛋白质水凝胶的阳离子硬化过程探究。

本文第一步是探究两个带正电离子的浓度可能会增加蛋白质水凝胶的硬度的范围,并能允许蛋白水凝胶形状编程的程度。首先使用内径为0.56毫米的聚四氟乙烯管作为模具来合成牛血清白蛋白圆柱形水凝胶。这些凝胶然后通过两个金属钩分别连接到音圈电机和力传感器(图2)并附着在钳流变仪中。在所需阳离子浓度的磷酸盐缓冲盐水中孵育30分钟后,在0-至4-千帕范围内测量经处理的牛血清白蛋白水凝胶的机械响应 (图2) 。当所施加的力随时间线性增加时,应力随应变的变化可用于评估材料的刚度,因为迹线上升部分的斜率直接反映动态杨氏模量。通常,由球状蛋白质如牛血清白蛋白制成的水凝胶在应力-应变曲线上也显示出滞后现象(图2A)。当暴露于化学变性剂时,BSA水凝胶的这种滞后现象消失,化学变性剂破坏了形成水凝胶网络的蛋白质结构域的三级结构。当用Cu2+处理时,BSA水凝胶显示出高达5倍的刚度增加 ,在Zn2+存在时显示出17倍的刚度增加 (图2B)。当用聚电解质处理时,BSA水凝胶在2 M Zn2+中的硬度比报道的相同凝胶的硬度大几个数量级并且应该允许更复杂的程序化形状。因此,硬化效应似乎更多地取决于阳离子的溶液浓度,而不是它们的性质(图2B)。与Cu2+相比,Zn2+的主要优势在于其在水中的溶解度更高,这使得在研究中能够制备更高浓度的溶液,并观察到更强的硬度。

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图3: 不同浓度阳离子浸泡的牛血清白蛋白水凝胶的力学特性。

除了硬化效应之外,蛋白质水凝胶在高浓度阳离子溶液中的孵育改善了它们的机械失效性质。对于这些测试,我们使用典型的骨骼形状,其中BSA水凝胶被延长,直到我们的力传感器失效或达到最大力范围(图3A)。BSA基水凝胶显示出随着阳离子浓度的增加,韧性和破坏应力都增加。测得的韧性表示材料吸收能量和变形而不断裂的能力,由拉伸应力-应变曲线下的面积得出(图3B和3C,左),随着阳离子浓度从1 kJ/mol增加到2.8 kJ/mol。失效应力从15千帕增加到33千帕。最大伸长率没有显示出随阳离子浓度的显著变化。这表明尽管刚度可能是由蛋白质结构域和非共价连接在约120%时的机械稳定性的增加而给出的,但是BSA水凝胶的主要网络是经历共价键的不可逆断裂后开始失效。因此,交联几何结构是凝胶拉伸的限制因素,初级水凝胶网络需要细化提高最大拉伸率。

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图4: 蛋白质水凝胶的阳离子编程和通过化学机械变化的变形。

前面的研究结果证明了利用浸没在Zn2+和Cu2+溶液中引起的BSA水凝胶硬度的巨大变化,本文接着将圆柱铸造的生物材料编程为弹簧形状,将花铸造的材料编程为环形 (图4)。刚度增加约6.5倍已经足以将BSA水凝胶编程为弹簧形状,Zn2+和Cu2+都诱导足够强的刚性 (高达约17倍)。与聚电解质相比,小离子的主要优势在于它们的扩散速度相对较快(< 5分钟)。此外,在本例中,形状变形是由简单的扩散驱动的并且不需要借助化学变性剂来破坏初级蛋白质网络。在阳离子存在下,BSA水凝胶杨氏模量增加的另一个优点是可以获得更复杂的形状。例如,我们演示了从环形到花朵形状的变形(图4,底部)。为了获得这种复杂的形状变形,我们首先使用硅树脂模具将水凝胶铸造成花状。在光活化交联反应之后,我们通过将水凝胶安装在塑料管上将其编程为环形,然后将其浸入阳离子溶液中30分钟。当从塑料管移至相同浓度的Zn2+溶液中时,水凝胶保持环形 (图4B,左下方)。然而,当浸入常规的Tris缓冲液中时,环形形状迅速变形为原始的花朵形状(图4B)。

 

总结与展望:

1、本研究展示的方法能够在基于蛋白质的水凝胶中实现形状变形,这种方法依赖于由Zn2+和Cu2+诱导的硬化来将永久形状编程为新的临时构型,并且这些离子在材料外部的扩散使得能够恢复原始形状。Zn2+将实现更多的生物学相关应用,因为它比Cu2+毒性小得多。

2、阳离子程序蛋白水凝胶的主要优点是可获得的硬度比常规缓冲液高得多 (约17倍), 能够以复杂的形状进行程序设计并且小离子的快速扩散导致快速不可逆变形 (< 5分钟). 此外,形状变化发生在室温下的水性环境中,这与人体中存在的条件相适应。基于蛋白质水凝胶和阳离子的永久形状变形将来有望可用于各种植入物和可注射水凝胶的应用中。

3、这里展示的从暂时到永久的形状变形方法不需要水凝胶内蛋白质结构域的三级结构变性。因此,这种方法允许保留形成水凝胶骨架的蛋白质的功能, 提供了让生物模拟材料动态多样性和可控形态编程能力的显著结合的一种创新研究策略。

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