上海交通大学夏小霞教授、钱志刚副研究员Biomac：可控纤维化增强的基因工程橡胶状蛋白质水凝胶

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橡胶状蛋白水凝胶具有独特的可伸缩性和弹性，但由于大多数组成水凝胶的蛋白链构象混乱，排布不规整，这种水凝胶通常强度较低，应用受限。因此，如何在保留橡胶性质的同时，提高蛋白质水凝胶强度引发了人们的关注。

图1. 橡胶状蛋白水凝胶的独特可伸缩性

由此，本文作者设计合成了一系列节肢弹性蛋白和蚕丝蛋白的共聚物(RS copolymers)，通过光化学交联（二酪氨酸键）、物理交联（蚕丝蛋白自组装实现纤维化）得到水凝胶。化学交联使蛋白质水凝胶具有橡胶状的性质，在蛋白质分子、超分子和材料水平上的纤维化调控了蛋白质水凝胶的力学性能。此外，还探究了这种蛋白质水凝胶作为压阻传感器的应用价值。

图2. 实现橡胶状蛋白水凝胶可控纤维化的不同策略

首先，作者通过基因编辑的技术，调控节肢蛋白与蚕丝蛋白片段比例为2:1、1:1、1:2，设计了三种分子量相近的共聚物：R4S2、R4S4、R4S8，并利用仅有节肢蛋白片段的合成多肽R32作为对照组。采用[Ru(bpy)₃]²⁺介导的酪氨酸残基间的光交联方法，形成水凝胶。

接着，对四种水凝胶的力学性能进行了表征。所有的水凝胶都表现出了橡胶的特点，并有较好的抗拉、抗压、抗疲劳性能。结合拉伸、压缩测试数据和扫描电镜(SEM)照片，作者认为，随着蚕丝蛋白片段比例的增加，蚕丝片段间存在的相互作用使得结构更为紧密有序，从而提升了材料的强度，降低了其延展性。因而通过调控片段组成来提高水凝胶强度是一条可行的思路。

图3. 不同片段比例水凝胶力学测试数据

(a)压缩或(d)拉伸至失效的应力-应变曲线；

(b)压缩或(e)拉伸至60%应变的应力-应变和松弛曲线；

(c)压缩或(f)拉伸至60%应变，20个连续加载-卸载循环下凝胶的弹性。

共聚物组成比例对水凝胶内部自组装行为的影响不仅表现在宏观上材料强度变化，还体现在不同水凝胶对温度、时间的响应行为上。

通过原子力显微镜(AFM)图像可以发现，对于不同组成比例的共聚物，其微观尺寸和形态随温度的变化过程有很大不同。

图4. 不同温度下浓度0.1 μg/mL的(a)R4S2和(b)R4S8水溶液中发生自组装形成纳米结构的AFM图像

另外，20%(w/v)高浓度溶液中的振荡流变学数据表明，不同比例共聚物的弹性模量和损耗模量随时间变化曲线也存在显著差异。

由此，作者通过调整温度和时间，实现丝蛋白片段间的物理交联反应可控调节（即可控纤维化），以此对共聚物进行预纤维化，再进行化学交联。比较了由R4S8制备的预纤维化凝胶（先预纤维化15 min或30 min再化学交联）、后处理凝胶（先化学交联，后利用甲醇引入物理交联）、纯化学交联凝胶的力学性能。结果表明，双网络交联的水凝胶都表现出更好的拉伸和压缩强度。虽然在拉伸和压缩测试中，经过物理交联后水凝胶弹性相较于仅化学交联的水凝胶都有所下降，这可能是物理交联作为牺牲键而耗散能量导致的，但是总体而言，所有水凝胶的回弹性能都好于氯丁橡胶。而且，15 min预纤维化凝胶弹性变化最小，在压缩测试时的磁滞回线同仅化学交联的水凝胶一样几乎不可见。

图5. 在超分子和宏观层面增强的R4S8水凝胶代表性应力-应变曲线(a)压缩至失效；(b)拉伸至失效；(c)压缩至60%应变和松弛；(d)拉伸至60%应变和松弛。

为了进一步探讨上述水凝胶的结构-性质关系，作者进行了扫描电镜分析(SEM)。仅物理交联的R4S8水凝胶显示出片状的微观结构，由于片状结构之间缺乏紧密接触，几乎没有弹性，甚至不能承受轻微的压缩或拉伸变形。30 min预纤维化凝胶显示出紧密相连的片状微结构，而后处理凝胶则显示出不均匀分布的纤维结构。

值得注意的是，在15 min预纤维化凝胶中可以观察到具有均匀分散的高度互联网络，并且这种形态明显不同于仅化学交联凝胶中较不均匀的纤维结构。断裂形貌研究表明，凝胶中缠绕的纤维在拉伸作用下可以被拉直，这种形态转变可以为水凝胶提供一种增强机制，使其同时具有适宜的延展性、弹性和断裂能。

图6. 拉伸至60%应变之前(d)和之后(e,f)的R4S8凝胶扫描电镜(SEM)图像

最后，作者将预纤维化过的R4S8和对照组R32水凝胶浸泡在0.2 M NaCl溶液中，赋予其导电性能，并评估了它们在压缩变形下的电学性质。这些压阻式传感器具有灵敏度高、易于监测人体按压活动的特点，其工作检测范围取决于水凝胶的压缩强度，R4S8水凝胶的监测范围更广。

该研究以“Controllable Fibrillization Reinforces Genetically Engineered Rubberlike Protein Hydrogels”为题，发表在Biomacromolecules上，通讯作者是上海交通大学的夏小霞和钱志刚。

原文链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.0c01653

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