【文献解读】PNAS：具有选择性空间变形行为的双刺激响应复合生物聚合物驱动器

背景介绍

具有感应刺激和可变形特性的仿生驱动器在人工组织、医疗设备和诊断以及智能生物传感器等领域被广泛的研究。这要求驱动系统具有一定的生物相容性、可控变形性、生物降解性、机械耐久性和可逆性。与由刚性材料制备的机器人部件相比，可高度形变的柔性机器人、电子器件则具有能够在外界环境的刺激下产生所需的形变、力量和位移的能力，从而实现更好的、灵活的人-机互动模式。最近柔性器件设计的趋势已经从静态到动态生物响应等领域发展，以满足更多功能性材料的生物医学需求。这些柔性器件包括由刺激响应（例如温度、pH、磁场、光场、氧化还原反应和某些生物信号等）高分子聚合物制备而成的水凝胶等材料。

近日，美国塔夫茨大学的David L. Kaplan和Chunmei Li在美国科学院院刊PNAS期刊发文，报道了一种对由基因重组法制备的丝-弹性蛋白(SELP)水凝胶和木质纤维素纳米纤维(CNFs)共同组成的双响应仿生驱动系统。

图文解读

作者受弹性类蛋白（Elastin Like Peptides, ELPs）和丝蛋白的启发，将 Bombyx mori蚕丝的代表性的序列GAGAGS，与弹性类蛋白GXGVP相结合，通过基因工程编码设计表达并纯化出的丝-弹性蛋白类蛋白聚合物（Silk Elastin Like Peptides, SELPs）。丝固有的强大的力学性能和源自弹性类蛋白区域的动态响应性质构成了这种新型的重组蛋白的重要基础要素，其中GAGAGS重复单元的类丝蛋白可以形成β折叠结晶结构从而提高重组蛋白的力学稳定性，GVGVP重复单元组成的弹性类蛋白使得重组蛋白具有一定的柔性和水溶性。在此基础上，作者再利用2.5 wt% SELP水凝胶及有一定力学柔韧性的纳米纤维素膜制备具有动态响应形变能力的SELP水凝胶/纳米纤维素膜双层结构（SELP/CNF）。

通过调整去离子水的温度及盐浓度，可以发现SELP为复合材料中温度、盐浓度刺激响应的承载物质。在多次重复实验中，SELP水凝胶在每轮刺激响应及体积恢复循环中都能保持相似的体积收缩与恢复效果，证明了水凝胶具有良好且稳定的的体积收缩回复性能。此外，作者还考察了最大直径变化率（MDC）与NaCl溶液的浓度、双层膜厚度比例、处理时间的关系，结果表明SELP/CNF双层复合膜的MDC与纳米纤维素膜的厚度成反比关系。另外，当CNF层含量保持不变时，随着表层SELP水凝胶层的增加，SELP/CNF双层复合膜的MDC也越大，此结果表明，SELP/CNF双层复合膜的MDC值与SELP的体积成正比关系。

最后作者利用具有双刺激响应性的SELP水凝胶的变化实现整体材料结构的动态变化，而刺激响应惰性的纳米纤维素膜则可以控制整体双层结构的形变方向，从而完成SELP/CNF双层复合膜的可控复杂形变的操作。由于SELP水凝胶在受到温度或盐离子的外界刺激时的体积收缩的动量转移能够驱动结构的力学变化，同时通过合理设计具有不同形状的纳米纤维素基底膜去引导SELP/CNF双层复合膜的变形方向从而实现一系列可控形变。如图4所示，以SELP/CNF双层花瓣作为基本结构单元，通过预先对纳米纤维素膜层进行设计使得SELP/CNF双层复合膜在室温下，1M NaCl溶液中实现了一系列可控的、具有复杂三维结构的几何形状变形，证明了SELP/CNF双层复合膜可以在智能响应器件、温度和盐离子浓度传感器以及生物医疗设备等领域具有一定的应用潜力。

总结

本文利用DNA基因重组法制备了具有温度和盐离子刺激响应性的丝-弹性蛋白类蛋白聚合物（SELP），并通过酶交联反应制备了SELP水凝胶。SELP水凝胶在高温以及盐离子溶液中会发生体积收缩，最大体积收缩量可高达95%，然而在当外界刺激环境取消后，SELP水凝胶仍能保持稳定的刺激响应和恢复性能。此外还以木材纳米纤维素膜（CNF）作为具有力学支撑作用的基底层与SELP水凝胶复合得到了可控的、双刺激响应的双层复合膜材料，并完成了复杂的三维可控变形。

-作者水平有限，如有不科学之处，请原谅并在下方留言指正。

原文链接：

https://www.pnas.org/content/early/2020/06/09/2002996117

Wang, Y.; Huang, W.; Wang, Y.; Mu, X.; Ling, S.; Yu, H.; Chen, W.; Guo, C.; Watson, M. C.; Yu, Y.; Black, L. D.; Li, M.; Omenetto, F. G.; Li, C.; Kaplan, D. L. Stimuli-responsive composite biopolymer actuators with selective spatial deformation behavior. Proc. Natl. Acad. Sci. 2020, 202002996, DOI: 10.1073/pnas.2002996117.