蛋白質水凝膠的形狀編程和形變方法新突破!

動態生物材料是一類能夠進行構象變化的可以模擬人造組織結構形態學轉變的材料,其能被利用制作成能夠對環境做出反應並發生變化的模擬軟體機器人。當前最常見的形狀可變形材料是基於高分子聚合物材料交聯的,並且需要在硬和軟的硬度之間切換。這些材料通常依賴於兩個或多個網絡骨架,共享相同的三維(3D)空間,或對小離子具有化學反應。但是這一類材料的初始形狀恢復是需要從硬相到軟相的轉換,並且這種轉化需要通過損害次級網絡的完整性、通過改變溫度、酸堿度或溶劑類型或光調控催化聚合物網絡二次交聯來實現。

基於蛋白質水凝膠在富含水的環境中使用蛋白質作為它們的主要網絡的構成組分,因此這些水凝膠保留瞭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。蛋白質完成許多維持生命的功能,例如生物體組織結構的構成和新陳代謝酶促反應性,並且在大多數情況下它們的功能與它們折疊的3D結構直接相關。盡管起始材料有很大的多樣性,但是蛋白質材料在更窄的溫度、酸堿度或鹽條件范圍內是穩定和有功能的,並且需要水基環境。由於材料的機械響應直接取決於其組成網絡節點的濃度,基於蛋白質的水凝膠可獲得的硬度范圍極其有限:蛋白質需要高於臨界膠凝濃度才能轉化為生物材料,並低於其特定溶解度極限,並且大多數蛋白質凝膠材料隻允許硬度變化約10%至30%的這個狹窄的范圍。球狀蛋白質具有清晰的三維結構,就像堅硬的球體一樣,這種結構完整性提供瞭對交聯點和密度的極好控制,同時保持瞭網絡節點的三級結構。基於聚合物的水凝膠已經發現形狀記憶和形狀變形的各種應用,雖然這些方法可以制成生物相容的可變形材料,但是聚合物不能達到和蛋白質一樣的多樣性和對序列結構的控制。因此,威斯康星大學密爾沃基分校Ionel Popa課題組Science Advance發文介紹一種創新的方法來編程蛋白質水凝膠,並在室溫下和水溶液中的誘導形狀變化。

蛋白質水凝膠的形狀編程和形變方法新突破!

具體步驟:

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圖1: 利用光活化反應制備基於牛血清白蛋白的蛋白質水凝膠的過程。

這裡,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)制成的基於蛋白質的水凝膠(圖1)。該反應顯示在相鄰蛋白質結構域之間暴露的酪氨酸氨基酸位點產生共價碳-碳鍵。使用光來引發交聯反應的優點是,這種方法允許以所需的形狀裝載反應混合物並且在光照前的粘度沒有任何變化。

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圖2: 蛋白質水凝膠的陽離子硬化過程探究。

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水凝膠的硬度的范圍,並能允許蛋白水凝膠形狀編程的程度。首先使用內徑為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。這些凝膠然後通過兩個金屬鉤分別連接到音圈電機和力傳感器(圖2)並附著在鉗流變儀中。在所需陽離子濃度的磷酸鹽緩沖鹽水中孵育30分鐘後,在0-至4-千帕范圍內測量經處理的牛血清白蛋白水凝膠的機械響應 (圖2) 。當所施加的力隨時間線性增加時,應力隨應變的變化可用於評估材料的剛度,因為跡線上升部分的斜率直接反映動態楊氏模量。通常,由球狀蛋白質如牛血清白蛋白制成的水凝膠在應力-應變曲線上也顯示出滯後現象(圖2A)。當暴露於化學變性劑時,BSA水凝膠的這種滯後現象消失,化學變性劑破壞瞭形成水凝膠網絡的蛋白質結構域的三級結構。當用Cu2+處理時,BSA水凝膠顯示出高達5倍的剛度增加 ,在Zn2+存在時顯示出17倍的剛度增加 (圖2B)。當用聚電解質處理時,BSA水凝膠在2 M Zn2+中的硬度比報道的相同凝膠的硬度大幾個數量級並且應該允許更復雜的程序化形狀。因此,硬化效應似乎更多地取決於陽離子的溶液濃度,而不是它們的性質(圖2B)。與Cu2+相比,Zn2+的主要優勢在於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,並觀察到更強的硬度。

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圖3: 不同濃度陽離子浸泡的牛血清白蛋白水凝膠的力學特性。

除瞭硬化效應之外,蛋白質水凝膠在高濃度陽離子溶液中的孵育改善瞭它們的機械失效性質。對於這些測試,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,由拉伸應力-應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結構域和非共價連接在約120%時的機械穩定性的增加而給出的,但是BSA水凝膠的主要網絡是經歷共價鍵的不可逆斷裂後開始失效。因此,交聯幾何結構是凝膠拉伸的限制因素,初級水凝膠網絡需要細化提高最大拉伸率。

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圖4: 蛋白質水凝膠的陽離子編程和通過化學機械變化的變形。

前面的研究結果證明瞭利用浸沒在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形 (圖4)。剛度增加約6.5倍已經足以將BSA水凝膠編程為彈簧形狀,Zn2+和Cu2+都誘導足夠強的剛性 (高達約17倍)。與聚電解質相比,小離子的主要優勢在於它們的擴散速度相對較快(< 5分鐘)。此外,在本例中,形狀變形是由簡單的擴散驅動的並且不需要借助化學變性劑來破壞初級蛋白質網絡。在陽離子存在下,BSA水凝膠楊氏模量增加的另一個優點是可以獲得更復雜的形狀。例如,我們演示瞭從環形到花朵形狀的變形(圖4,底部)。為瞭獲得這種復雜的形狀變形,我們首先使用矽樹脂模具將水凝膠鑄造成花狀。在光活化交聯反應之後,我們通過將水凝膠安裝在塑料管上將其編程為環形,然後將其浸入陽離子溶液中30分鐘。當從塑料管移至相同濃度的Zn2+溶液中時,水凝膠保持環形 (圖4B,左下方)。然而,當浸入常規的Tris緩沖液中時,環形形狀迅速變形為原始的花朵形狀(圖4B)。

總結與展望:

1、本研究展示的方法能夠在基於蛋白質的水凝膠中實現形狀變形,這種方法依賴於由Zn2+和Cu2+誘導的硬化來將永久形狀編程為新的臨時構型,並且這些離子在材料外部的擴散使得能夠恢復原始形狀。Zn2+將實現更多的生物學相關應用,因為它比Cu2+毒性小得多。

2、陽離子程序蛋白水凝膠的主要優點是可獲得的硬度比常規緩沖液高得多 (約17倍), 能夠以復雜的形狀進行程序設計並且小離子的快速擴散導致快速不可逆變形 (< 5分鐘). 此外,形狀變化發生在室溫下的水性環境中,這與人體中存在的條件相適應。基於蛋白質水凝膠和陽離子的永久形狀變形將來有望可用於各種植入物和可註射水凝膠的應用中。

3、這裡展示的從暫時到永久的形狀變形方法不需要水凝膠內蛋白質結構域的三級結構變性。因此,這種方法允許保留形成水凝膠骨架的蛋白質的功能, 提供瞭讓生物模擬材料動態多樣性和可控形態編程能力的顯著結合的一種創新研究策略。

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