UBC李宏斌教授AM：蛋白质水凝胶——可无限重塑与循环再生的可持续材料

水凝胶作为新一代功能材料，在药物递送、组织工程、软机器人等领域应用广泛。然而，传统水凝胶一旦成型便无法重塑或回收，难以适应动态需求，且不可降解的合成聚合物加剧了环境污染。现有可回收水凝胶技术（如超分子化学策略）仍无法同时实现重塑与回收双重功能，制约了其可持续应用。

加拿大不列颠哥伦比亚大学李宏斌教授研究团队开发出一种全重塑与可回收的蛋白质水凝胶。该技术通过整合蛋白质折叠/解折叠动力学与动态二硫键交联，利用蛋白质在折叠态（高刚度）与解折叠态（低刚度）间的显著力学差异，实现水凝胶在三维空间的可逆重塑。同时，动态二硫键取代静态共价键，使材料可完全降解回收，回收的蛋白质能重新制成新水凝胶，且力学性能保持不变。这一突破为开发兼具动态成型能力与真正循环性的下一代生物材料提供了平台。

重塑机制与多维应用

研究以设计蛋白（FL）₈为模型，通过二酪氨酸键交联形成变性态水凝胶（D-DC）。如图1所示：在变性剂盐酸胍（GdmCl）中，凝胶软化变形；于磷酸盐缓冲液（PBS）中复性时，蛋白质重折叠锁定新形状；再次变性则可擦除形状重新编程（图1）。实验证明，直条凝胶可被反复弯曲成稳定弧形（图2c），并转化为波浪形、螺旋形等多种一维构型（图2d）。

图1蛋白质水凝胶通过蛋白质解折叠/重折叠动力学实现重塑的示意图。起始水凝胶在变性态通过二酪氨酸键交联。第一步：在GdmCl存在下通过机械力变形；第二步：在PBS中复性使蛋白质重折叠，稳定目标构型；第三步：用GdmCl再次解折叠蛋白质以恢复原始形状。该循环使水凝胶可按需重塑为多种构型。

图2a) SWISS MODEL生成的FL蛋白结构模型。b) 15% DC（FL）₈水凝胶在天然态（红）与变性态（黑）的拉伸应力-应变曲线。插图：天然态（左）与变性态（右）凝胶照片。c) 15% D-DC（FL）₈凝胶条弯曲及GdmCl恢复原始形状的过程。比例尺：5 mm。d) 直条凝胶通过解折叠/重折叠策略重塑为不同一维形状。比例尺：5 mm。

精准调控与复杂构型

重塑效率受GdmCl浓度调控：当固定浓度低于1.5 M时，形状固定率（Rf）达84%；浓度升至2 M以上时，Rf降至22%并趋于稳定（图3d）。这种浓度依赖性使重塑过程高度可调。进一步实验展示了二维/三维复杂构型转换：圆环凝胶可依次变为三角形、矩形和五边形（图4a）；平板凝胶能重塑为管状、波浪形或碗状（图4b）；管状凝胶甚至可形成左右旋向相反的螺旋结构（图4c），且新形状在PBS中可稳定保持10天。

图3变性剂浓度调控重塑性能。a) 15% DC（FL）₈凝胶连续10次弯曲编程的固定率（R_f，灰）与恢复率（R_r，红）。b,c) 凝胶杨氏模量（b）和溶胀率（c）对[GdmCl]的依赖性。d) 不同[GdmCl]下凝胶的R_f值（以7 M GdmCl为起始态）。面板b-d叠加了FL化学变性曲线。

图4a) 环状15% DC（FL）₈凝胶连续重塑为多边形（三角形→矩形→五边形）。比例尺：5 mm。b) 平板凝胶重塑为三维构型（管状→波浪形→碗状）。双箭头表示可逆变形。比例尺：5 mm。c) 直管凝胶重塑为左右旋向相反的螺旋结构。

闭环回收与循环再生

为实现全循环，团队将FL蛋白第23位甲硫氨酸突变为半胱氨酸（FL-M23C），利用动态二硫键交联（图5a）。柱状凝胶经还原剂TCEP处理完全溶解，回收的蛋白质经氧化再生为圆锥形新凝胶（图5b）。再生凝胶的杨氏模量（538±76 kPa）和溶胀率（-71±3%）与原始凝胶相当，且经5次回收循环后力学性能仍保持一致（图5d-f）。如图6所示：三角形凝胶被回收再制成平板，继而重塑为卷筒状，最终回收再生成海星形态，其腕足仍可弯曲和恢复，实现了"回收-重塑"无限循环。

图5a) 二硫键交联（FL-M23C）₈水凝胶的形成与回收示意图。b) 柱状凝胶回收再生成锥形凝胶。c) 原始（右）与回收（左）（FL-M23C）₈蛋白的SDS-PAGE图。d) 20% N-DC（FL-M23C）₈凝胶经5次回收的拉伸曲线。e) 杨氏模量（灰）与韧性（蓝）统计。f) PBS与7 M GdmCl中的溶胀率。

图6DC（FL-M23C）₈水凝胶连续重塑与再成型过程。圆环凝胶先编程为三角形，回收再制成平板，重塑为卷筒状，最终回收再生成海星形态（腕足可弯曲/恢复）。比例尺：5 mm。

前景与意义

该研究通过蛋白质折叠动力学与动态化学键的协同，创造了首例兼具全重塑性与全回收性的蛋白质水凝胶。其构型由蛋白质折叠结构稳定，无需金属离子或聚电解质加固，保留了蛋白网络的生化功能性。这一技术可推广至富含半胱氨酸的天然/工程蛋白（如牛血清蛋白），在软体机器人、数据加密、可持续包装及生物医学工程领域具有广阔应用前景，有望彻底变革水凝胶"生产-定制-回收"的传统范式。

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！