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【南方日報】深圳科研團隊設計出快速自愈的活體材料,可讓設備更智能

  

   科幻電影中神奇酷炫的快速自修復材料,離我們還有多遠?北京時間12月22日,中國科學院深圳先進技術研究院(簡稱“深圳先進院”)合成生物學研究所、深圳合成生物學創新研究院戴卓君課題組與集成所劉志遠課題組合作的最新研究成果發表于《自然·化學生物學》(Nature Chemical Biology)。

  研究團隊針對活體功能材料這一領域,提出了一種全新的可快速修復的活體材料構建思路,并進一步將這種思路轉化成一種普適的活體材料組合方法,將其推廣應用于智能制造及可穿戴設備的組裝等全新的應用領域,讓設備更智能。該成果是研究團隊在合成生物學領域融合生物技術(BT)與信息技術(IT)的一次新嘗試。

  論文上線截圖。 

  中國科學院院士、深圳先進院合成生物學研究所首席科學家趙國屏表示,該成果聚焦在活體功能材料領域,挑戰了活體材料分鐘內自愈這個單純依靠細胞分裂無法實現的難題。解決這個問題的靈感來源于動態非共價鍵形成快速自愈合的理論,利用細菌表面安裝可粘合的抗原-抗體的性質,開發了一種可快速組裝自愈的功能材料,實現了全新的可編程材料模式。

  他表示,尤其值得一提的是,該工作進一步將活體材料與多種可穿戴器件組裝在一起,如肌肉電信號傳感器以及應變傳感器,突破了生命體與非生命器件的界限,拓展了活體材料的構建框架和應用領域,這是化學生物學及生物技術與材料科學和工程科學學科交叉“會聚”研究的一個范例。 

  

圖為傳統生物活體自修復材料(靠生長繁殖)和LAMBA自修復材料(靠抗原抗體快速作用修復)修復速度比較圖。左上是傳統生物活體材料斷裂示意圖,右上是修復過程,左下是LAMBA材料斷裂的示意圖,右下是修復過程示意圖。 來源:深圳先進院合成所。 

  生物活體材料實現強大的自修復能力 

  自修復材料并非是近年才提出的概念。美國某服飾品牌此前就推出過能自動修復的衣服材料,其原理非常簡單,只是通過提高線的強度,使鐵釘插入后不能將線割斷而只是把線撥開,然而這樣的材料面對如銳器等造成的割裂,其修復功能便不再能發揮作用。

  此后,科學家將目光投向紡織品的涂層材料上。魷魚的環齒蛋白(SRT)蛋白具有“自愈”性能,在帶有SRT蛋白涂層的紡織品上滴幾滴溫水,再把斷面重疊在一起按壓60秒左右,斷面就會重新連接起來。

  

圖為利用魷魚環齒蛋白制成的紡織品涂層材料可以將斷裂的織物重新連接起來。來源:網絡。 

  然而,這樣的自修復材料與人們想象中的自修復材料還有很大差距,無法使斷裂面通過自修復彌合,另一方面,提純后的蛋白材料也不再具有活細胞可編程的特性。

  據深圳先進院科研人員介紹,合成生物學的快速發展使得利用智能生物活體材料實現自修復過程成為可能。傳統的活體材料提出依靠微生物的生長繁殖實現自修復,這一過程往往需要花費數十小時甚至幾天的時間,這樣漫長的修復時間極大地限制了其應用場景。為此,研究團隊從修復原理上另辟蹊徑,找到了一種能極大縮短材料修復時間的方法。

  抗原和抗體分子在結構上有一定的互補性(依靠分子間作用力形成非共價結合),使得它們在極短的時間內就可以發生特異的相互作用而穩定的結合起來。這種結合力在外力破壞后可以迅速還原,即實現快速修復。

  基于這一原理,該研究團隊分別構建了表面展示有抗原和納米抗體的兩種工程菌株,之后,再以一定比例將兩種菌株混合,通過抗原-抗體間的快速相互作用,制備出了穩定的具有高效自修復能力的LAMBA前體材料。

  

圖為LAMBA材料的局部示意圖.圖中紅色和藍色卡通形象分別表示表面展示有抗原和納米抗體的兩種工程菌,通過抗原-抗體的快速結合實現LAMBA材料的超強修復能力。來源:深圳先進院合成所。 

  由于LAMBA前體材料性質與水凝膠相近,因此,結合傳統的材料加工工藝(如3D打印、微流控等)就可以將LAMBA材料自由地加工成形態、性能各異的材料。

  “可編程”活體材料讓設備更智能 

  合格的自修復材料還應該是智能的,生物活體材料最大的優勢之一就在于微生物強大的可編程能力,因此,研究團隊也從兩方面對此進行了探究。

  一方面,通過在兩種工程細菌表面展示酶和納米催化劑,然后將其制成LAMBA材料,最終成功將農藥的主要成分對氧磷降解為低毒害的對氨基苯酚。

  另一方面,在一種細菌表面展示淀粉水解酶而在另一種細菌胞內表達海藻糖合成酶,這樣,淀粉先被淀粉水解酶轉化為麥芽糖,然后麥芽糖作為底物再被運輸到另一種工程菌胞內被海藻糖合酶轉化為海藻糖。

  LAMBA材料具備的超強自修復能力以及智能編程能力啟發研究團隊進一步探究其在可穿戴設備和生物傳感器上的應用。

  可穿戴設備能通過檢測人體基本生理信號達到日常健康檢測、輔助康復治療等效果,良好的拉伸性能和導電性能是其正常運行的前提。經測驗,即使經過反復循環拉伸,LAMBA材料的導電性能依然能維持穩定。即使在遭破壞后,LAMBA材料可在段時間內快速修復至原有性能。

  

LAMBA材料具備優異的拉伸性能,非常適合可穿戴設備或衣物的制造。來源:深圳先進院合成所。 

  人體的神經肌肉活動均伴隨著電生理信號的產生,電生理傳感器可用于不同頻率神經肌肉電生理信號的捕捉。對肌肉電信號的準確獲取,一方面可以用于評估肌肉的健康狀態,另一方面也可以用于計算評估人體瞬時的動作意圖,進而去控制外部設備,如假肢和外骨骼等。實驗結果顯示,柔性LAMBA電生理傳感器可以準確捕捉到肌肉電信號,并且相比于相同方法制備的單菌或金薄膜傳感器顯示了更好的信噪比。

  另一方面,作為柔性材料,LAMBA在應變傳感器的制備中也具有顯著優勢,與金薄膜制成的傳感器相比,柔性LAMBA應變傳感器能更加均勻的反應形變程度。

  BT與IT在合成生物學“碰撞”出無限可能 

  南方+記者從深圳先進院了解到,該院研究團隊發明的這種具有快速自我修復能力的活體材料性能卓越,在諸多領域都有著極大的應用前景。

  IT技術與BT技術是影響人類未來發展的兩大技術,一直以來科學界與產業界對兩個領域相互融合、交叉研究的呼聲高漲,未來,這種創新的“BT+IT”協同制造模式必將帶來一次大的技術革新。

  論文通訊作者劉志遠在談及應用場景時表示:“LAMBA材料在軍事領域的應用令人興奮,試想一下,未來如果將LAMBA材料用在特種軍服或軍用可穿戴設備上,那么,單兵作戰的能力將會得到大幅增強。另外,生物活體材料強大的可編程能力,使得賦予戰衣更多樣的功能成為可能,這將使士兵能夠更加從容的應對戰場上各種復雜的環境與地形?!?/p>

  論文通訊作者戴卓君表示:“我們希望通過該研究建立一種活體材料組裝的新方法,在活體生物可編程的基礎上,通過引入高分子物理及化學合成中的理論賦予微生物新的特性,使組裝的材料具有快速自愈合的特性,并初步嘗試了IT與BT的融合。我們也在推進其他相關的各項有趣研究,期待并相信合成生物可以帶來無限可能?!?/p>

  中國科學院院士、上海交通大學教授樊春海表示,這個工作在活體材料的設計與編輯中跨出了一大步,尤其是將高分子物理及化學中利用動態非共價鍵介導的快速自愈合這一創新的設計思路來武裝細菌,將在高分子學科中積累的經典體系跨學科的引入合成生物學,這也提示我們在未來的活體材料設計中可以學習和借鑒其他材料科學的優秀體系。v

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