王炜教授、曹毅教授研究团队在生物材料力学特性研究方面取得新进展,提出通过生物分子基元力学特性组装的新方式,并成功构建具有特殊力学特性的宏观材料,相关结果以“Rationally designed synthetic protein hydrogels with predictable mechanical properties”为题,发表于2018年2月的Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-018-02917-6)上。论文的第一作者为吴俊华副教授,硕士生李鹏飞和浙江大学工程力学系的董臣令博士为共同第一作者。研究工作还得到浙江大学工程力学系的陈斌教授团队合作支持。
具有类似于天然生物组织特定力学性能的人工合成蛋白水凝胶材料的设计是组织工程、干细胞和癌症研究中的重要主题之一。然而,将蛋白水凝胶这一宏观材料的力学性能与构成水凝胶的微观结构单元的纳米力学性质进行关联是极具挑战性的。在本项研究中,研究团队联合运用单分子力谱、蛋白质工程和理论建模等创新方法,首次实现了由分子交联单元和力承载模块多层次的蛋白质水凝胶材料构建,并且其宏观力学性能可以用这些分子和模块水平的力学特性来预测(图一)。本研究的发现提供了一个合理设计具有特定弹性、延展性、韧性和自我修复性能的蛋白质水凝胶的框架与策略。利用这些基本原理和方法,王炜教授领导的团队还设计和制备了一种具有自我修复能力的肌肉仿生水凝胶,而且该肌肉仿生水凝胶可以通过蛋白的解折叠来耗散能量(图二)。他们预期本研究工作中展示的基本原则可以推广应用到生物医学领域,特别是设计与构建具有特定机械性能的蛋白质水凝胶材料,用于具有不同力学特性的组织(如软骨、肌肉、皮肤等)的修复。相关研究正在进行之中。
该工作得到人工微结构科学与技术协同创新中心和固体微结构物理国家重点实验室的支持,中央高校基本科研业务费、国家自然科学基金、科技部973计划以及南京大学登峰人才计划的资助。
图一:蛋白水凝胶的设计思路及所用蛋白的结构。(a)把水凝胶网络模块化,等效成由承力基元和交联基元组成的网络,两者的力学响应不同,共同决定了材料的力学特性;(b), TIP-1:Kir复合物作为交联基元,GB1、HP67和SH3作为承力基元,三者的力学强度各异。
图二:具有与肌肉力学特性相似的蛋白水凝胶的设计、制备与表征。(a)水凝胶的蛋白结构;(b-d)蛋白的单分子力谱表征;(e-i)蛋白水凝胶形貌的力学特性表征,其杨氏模量为84 kPa, 并且具有能量耗散、快速可逆回复、承受残余应力和可自修复等特性,与人体肌肉力学特性相似。