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高性能蛋白基海洋仿生材料在柔性傳感器方面具應(yīng)用潛力

2022-05-23 11:38:20來源：深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 閱讀量：119 評(píng)論

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導(dǎo)讀：該研究加深了對(duì)蛋白基海洋生物材料組裝分子機(jī)制的認(rèn)識(shí)，為未來開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型海洋生物醫(yī)用生物材料奠定了基礎(chǔ)。

　　5月18日，中國海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院海洋生物遺傳與育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室方宗熙薩斯研究中心劉偉治團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院鐘超團(tuán)隊(duì)/劉志遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)，在《自然-通訊》(Nature Communications)上，在線發(fā)表了題為Extensible and self-recoverable proteinaceous materials derived from Scallop Byssal Thread的論文。該成果是扇貝足絲蛋白仿生材料研究領(lǐng)域的重要進(jìn)展。
 
　　生物仿生材料是材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。多年來，為彌補(bǔ)當(dāng)前組織修復(fù)材料、柔性傳感器和可穿戴設(shè)備材料在濕環(huán)境下延伸性差、恢復(fù)性差等不足，科研團(tuán)隊(duì)聚焦于濕環(huán)境下具有高延展性的扇貝足絲的研究，克服了天然材料提取表征困難等技術(shù)難題，在扇貝足絲蛋白中首次報(bào)道了一種具有高延展性的纖維蛋白材料Sbp5-2，并聯(lián)合開展了材料組裝機(jī)制及應(yīng)用研究。該研究加深了對(duì)蛋白基海洋生物材料組裝分子機(jī)制的認(rèn)識(shí)，為未來開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型海洋生物醫(yī)用生物材料奠定了基礎(chǔ)。
 
　　研究對(duì)扇貝足絲結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn)，其在濕環(huán)境下延伸性能可達(dá)327±32%(圖1a)，超過多數(shù)天然的生物纖維(圖1b)。研究觀察足絲纖維部(圖1c)微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，足絲纖維由折疊的片層組成，且富含β-sheet結(jié)構(gòu)(圖1d)。基于多組學(xué)技術(shù)在足絲纖維部篩選出關(guān)鍵蛋白組分Sbp5-2(圖1e)，該蛋白具有顯著的序列特點(diǎn)即含有多個(gè)重復(fù)模塊(TRM)且富含Cys(圖1f)。體外重組表達(dá)該蛋白的重復(fù)模塊序列制備了仿扇貝足絲的重組蛋白纖維(圖1g-j)。
 
　　體外重組蛋白纖維的力學(xué)性質(zhì)和組裝機(jī)制研究表明：重組絲具有扇貝足絲的層級(jí)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，具有顯著的延展性和自恢復(fù)能力(圖2a-d)；機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)氫鍵、金屬羧基配位和二硫鍵為主的分子間交聯(lián)對(duì)rTRM7纖維的延伸性和自恢復(fù)能力有調(diào)控作用：纖維內(nèi)部水分子起到增塑作用從而提高纖維的延伸性，二硫鍵的存在可顯著增強(qiáng)其拉伸強(qiáng)度同時(shí)降低其延伸性，Ca2+與蛋白的羧基形成配位鍵，且提高了蛋白分中β-sheet含量，從而提高重組蛋白纖維的拉伸強(qiáng)度(圖2e-j)。
 
　　為了探索高延伸性重組蛋白纖維在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，研究將石墨烯嵌入蛋白纖維中制備出同時(shí)具有高延伸性和高導(dǎo)電性能的纖維e-rTRM7(圖3a-d)。蛋白纖維e-rTRM7具有良好的細(xì)胞相容性，且在作為應(yīng)變傳感器和電生理信號(hào)傳輸電極方面頗具應(yīng)用潛力(圖3e-i)。
 
　　研究工作得到國家自然科學(xué)基金、深圳先進(jìn)院開放課題項(xiàng)目及深圳合成生物創(chuàng)新研究院項(xiàng)目的支持。北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)，上海同步輻射光源的科研人員參與研究。部分成果已申請(qǐng)新材料專利。
 


圖1.扇貝足絲機(jī)械性能與結(jié)構(gòu)以及重組蛋白纖維制備
 


圖2.重組蛋白纖維rTRM7機(jī)械性能及其調(diào)控機(jī)制
 


圖3.導(dǎo)電e-rTRM7纖維作為應(yīng)變傳感器和電信號(hào)傳輸電極的應(yīng)用
 

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