《Small》复旦大学：通过促进非晶态区域的分子间纠缠实现超强蛋白质基水凝胶

第一作者：Yu Fu

通讯作者：Zhengzhong Shao，Qinrui Lin

通讯单位：复旦大学

DOI: 10.1002/smll.202403376

背景介绍

与合成水凝胶相比，由天然衍生材料制成的水凝胶因其优越的生物相容性和生物降解性而在生物医学领域得到了广泛的应用。在不同类型的天然衍生材料中，蛋白质对生物医学用途特别有吸引力，因为它们独特的生物活性会影响细胞的粘附和分化。然而，基于蛋白质的水凝胶通常具有较差的机械性能。蛋白质基水凝胶的断裂强度和拉伸/压缩模量主要在（6-194.67 kPa）和（14.2 kPa-0.43 MPa）范围内。这些性能远远不能满足实际应用的要求，特别是组织工程的要求。因此，优化蛋白质基水凝胶的机械性能对于确保其在各种实际应用中的有效性至关重要。

操纵蛋白质的大分子结构是改善其力学性能的基本策略。强蛋白基水凝胶可以作为整合功能成分的基质，这已成为提高机械性能的普遍策略。基于蛋白质的水凝胶的大分子结构通常与半结晶聚合物的结构相似。基于这一概念，规则折叠的二级结构，即β-折叠或螺旋，被确定为对蛋白质基水凝胶的机械性能有重大贡献的结晶区域。因此，对于具有明确晶体区域的蛋白质，控制二级结构的状态一直是制备坚固耐用的蛋白质基水凝胶的主要策略。在这种情况下，在开发水凝胶时，这些蛋白质中的无定形区域对机械性能的贡献往往被低估。然而，半结晶聚合物中的非晶区对其力学性能有着深远的影响。纠缠态的非晶态区域充当物理交联点，当应变增加时会产生更大的应力。最近，在球状蛋白质和多肽中，纠缠对机械性能的贡献得到了认可。对于球蛋白，包括牛血清白蛋白和麦芽糖结合蛋白，链间缠结的形成可以实现103 Pa量级的储能模量的三倍增强。对于合成多肽，缠结的形成可以使杨氏模量提高约30倍，达到104 Pa的量级。尽管这些发现揭示了缠结的重要性，但它对半结晶聚合物等蛋白质基水凝胶的贡献往往被低估。这是因为这些蛋白质水凝胶的杨氏模量和极限强度可以达到106 Pa，因为β片充当了结晶区域。促进这些蛋白质缠结的可行性仍有待验证。

本文亮点

1. 本工作通过控制蛋白质基水凝胶中非晶态区域的状态来探索提高机械性能的潜力。选择原纤维蛋白再生丝素蛋白（RSF）作为模型分子，因为它与半结晶聚合物具有相似的粘弹性。

2. RSF水凝胶中的非晶态区域通过双交联方法从延伸态转变为纠缠态。缠结的形成整合了新的物理交联点，显著提高了机械性能。

图文解析

图1. a） c-RSF水凝胶的数码照片。b） 两步交联法中固体含量的变化。c） 根据应力-应变曲线计算出的c-/DC-RSF水凝胶的压缩模量和d）拉伸模量。数据以平均值±标准差表示，n=3，具有统计学意义，*p≤0.05和**p≤0.01。e） 酸性DC-RSF水凝胶的弯曲和加载演示。f） 本文报道了RSF水凝胶和酸性DC-RSF水凝胶的刚度和强度。

图2. a） 溶出光、断裂的DC-RSF水凝胶的SEM图像。b） DC-RSF水凝胶的SAXS曲线。c） DC-RSF水凝胶的拉曼光谱在785nm处获得。d） 酰胺I带的半峰全宽（FWHM）。通过双尾Student t检验确定了酸性和中性c-/DC-RSF水凝胶之间FWHM值比较的统计意义，***p<0.001。e） c-RSF水凝胶的T2弛豫时间分布（箭头峰是指体积收缩排出的水分子）和f）接触角。

图3. DC-RSF水凝胶制造过程的示意图。通过拟合SAXS曲线来估计定量信息，即回转半径和相关长度。

图4. a） 由不同浓度的RSF溶液制备的酸性DC-RSF水凝胶的拉伸应力-应变曲线。b） 根据应力-应变曲线计算不同固体含量的酸性DC-RSF水凝胶的断裂应力和韧性。c） 二酪氨酸荧光随RSF前体溶液浓度的变化趋势。插入的图片是相应c-RSF水凝胶的时间依赖荧光强度曲线。d） 不同固体含量的酸性DC-RSF水凝胶的SAXS曲线。e） 根据不同固体含量的酸性DC-RSF水凝胶的拉曼光谱计算FWHM和I850/I830值。f） 与蛋白酶XIV溶液（1 U mL-1）一起孵育的DC-RSF水凝胶的压缩模量随时间而降低。数据以平均值±标准差表示，n=3，具有统计学意义，*p≤0.05，**p≤0.01，***p≤0.001和****p≤0.0001。

图5. a） 根据应力-应变曲线计算不同分子量的酸性DC-RSF水凝胶的断裂应力和韧性。统计显著性通过双侧Student t检验确定，*p≤0.05，**p<0.01。b） 拉曼光谱和c）根据不同分子量的DC-RSF水凝胶的SAXS数据计算的表面尺寸和相关长度。d） 具有不同分子量的水凝胶网络的示意图。通过SAXS数据的不同拟合方法计算回转半径和相关长度。e） 接种在DC-RSF水凝胶上3天和7天的BMSCs与1天的相对细胞存活率。f） 接种在酸性DC-RSF水凝胶上3天和7天的BMSC的CLSM图像。g） 接种在水凝胶上28天的BMSCs中成骨基因表达（OPN，Runx2）的定量结果。数据以平均值±标准差表示，n=5，具有统计学意义，*p≤0.05，**p≤0.01，***p≤0.001和****p≤0.0001。LMW=低分子量，MMW=中分子量，HMW=高分子量。

来源：柔性传感及器件