蜘蛛教你如何制備高強度水凝膠

我們都見過蜘蛛網(wǎng),蜘蛛網(wǎng)是由蜘蛛吐絲形成的,無論什么飛蟲,一旦撞上便很難逃走。據(jù)報道,組成蜘蛛網(wǎng)的蛛絲是鋼的五倍,已被美國軍方考慮生產(chǎn)防彈衣的材料。自然形成的蜘蛛絲中是一種基于天然多肽的結構,其優(yōu)異的力學性歸因于多肽內(nèi)氨基酸的空間排列,通過以疏水氨基酸殘基(即丙氨酸)為主的氫鍵排列形成高階β-折疊結構。圍繞這些β-折疊結構的是一種半非晶態(tài)、高度可延伸的富含甘氨酸區(qū)域的排列,特殊的排列方式(成分和空間)使得蜘蛛絲顯示出難以置信的韌性——拉伸強度在0.88–1.5?GPa之間,斷裂伸長率為21–27%。這種不可思議的機械潛力引起了人們對多肽在合成材料(如水凝膠、薄膜和纖維)中的廣泛應用的極大興趣,其中包括組織工程和藥物傳遞。

在合成β-折疊形成肽時,無論是合成工藝還是分子組成都需要慎重考慮。通過轉(zhuǎn)基因微生物合成和固態(tài)合成都是生產(chǎn)肽的常用方法,但前者需要對肽序列的基因來源有敏銳的認識,后者則僅限于制備短鏈肽。N-羧基環(huán)內(nèi)酸酐開環(huán)聚合(NCA?ROP)是一種較為廉價和簡單的合成大量多肽的方法,具有更大的潛力來產(chǎn)生長鏈多肽。在設計β-折疊形成的多肽時,疏水締合的控制是基本的,但在實驗室很難實現(xiàn)。這通常會導致不明確、不受控制且不易溶解的聚集體,極大地影響所形成結構(例如體相水凝膠)的機械潛力。

一般來說,通常用于緩解疏水殘基不受控制的締合和不可用聚集體的嘗試是引入了高比例的親水組分形成多肽,在隨后的將肽并入水凝膠中采用grafting-to法,但由于疏水締合的破壞,加入它們對多肽的機械潛力極為不利。天然蜘蛛絲在天然絲纖維生產(chǎn)過程中使用丙氨酸模塊形成β折疊,這涉及到特定的環(huán)境變化以促進β折疊的形成。然而,丙氨酸在低分子量(小模塊)下形成β折疊,但高分子量(大模塊)下則形成α螺旋。

在此,澳大利亞墨爾本大學Greg G. Qiao教授課題組報告了一種通過創(chuàng)造局部β折疊區(qū)的簡單方法來模擬蜘蛛絲,使形成的塊狀水凝膠具有優(yōu)越的力學性能。在水凝膠和晶膠的聚合物主鏈中引入側(cè)鏈氨基以啟動引導NCA ROP,使得這些β折疊域采用能使這些納米晶體得到有效利用的構象。這種方法得到平均高達79個重復單元的長鏈聚纈氨酸接枝物,進而形成連續(xù)的β折疊納米晶網(wǎng)絡。實驗得到的水凝膠抗壓強度增加了3個數(shù)量級,達到9.9?MPa,而晶膠的抗壓強度增加了2個數(shù)量級,達到30?MPa。此外,這些網(wǎng)絡的性質(zhì)可以很容易地使用甘氨酸進行調(diào)整,聚(纈氨酸-r-甘氨酸)接枝物使得壓縮性從40%增加到60%,而沒有明顯的韌性損失。該網(wǎng)絡顯示在28天內(nèi)對強酸、強堿和蛋白質(zhì)變性劑的抗腐蝕性有所提高。這種簡單的方法為制備獨特的帶有β折疊的雜化網(wǎng)絡提供了強有力的工具,并可進一步用于調(diào)節(jié)其他用于生物醫(yī)學功能和材料科學的水凝膠的機械性能和降解性能。相關工作以“Spider-silk inspired polymeric networks by harnessing the mechanical potential of β-sheets through network guided assembly”為題發(fā)表在Nature Communications上。

蜘蛛教你如何制備高強度水凝膠

圖文速遞

蜘蛛教你如何制備高強度水凝膠
圖1:肽β折疊負載的復合網(wǎng)絡的制備。通過以下方式合成網(wǎng)絡:(i)通過自由基聚合產(chǎn)生兩個掛有一級胺基的初始網(wǎng)絡(水凝膠和晶膠);以及(ii)隨后由聚合物主鏈上的胺基引發(fā)的Val NCA的ROP,從而在網(wǎng)絡內(nèi)形成β折疊的二級結構。

 

蜘蛛教你如何制備高強度水凝膠
表1:初始網(wǎng)絡中Val/Gly-NCA的聚合度估計。

aNCA單體的轉(zhuǎn)化率根據(jù)方法中所規(guī)定的剩余NCA單體與溶劑特征峰的積分比校準曲線,采用1H NMR測定。正負誤差基于標準差(n?=?3)。

b平均DP是網(wǎng)絡主鏈每一個-NH2基團的接枝Val重復單元的平均數(shù),由初始網(wǎng)絡中轉(zhuǎn)換的Val NCA和-NH2組之間的摩爾比估計(假設整個網(wǎng)絡的引發(fā)效率和聚合速率相同)。

蜘蛛教你如何制備高強度水凝膠
圖2:pH值為6.7時,去離子水中(玻璃瓶直徑~25?mm)網(wǎng)絡的特性。a:不同Val NCA單體濃度(0~360?mg/mL)制備的含β折疊的水凝膠和晶膠的平衡膨脹率;b:干的含β折疊晶膠的體積密度隨Val NCA濃度變化的總結(注意當Val NCA濃度大于120?mg/mL時,晶膠不膨脹);c:顯示不同β折疊含量晶膠的照片。所有誤差線基于標準偏差(n?=?3)。

 

蜘蛛教你如何制備高強度水凝膠
圖3:含β折疊水凝膠的SEM橫截面圖像。不同β折疊含量的a、b:水凝膠和c、d:晶膠。其中CB60(a,c)和CB360(b,d)。從左到右,隨著放大倍數(shù)的增加,比例尺分別為50μm、5μm和1μm。
蜘蛛教你如何制備高強度水凝膠
圖4:ThT染色的含β折疊網(wǎng)絡的共聚焦圖像。a、b:分別為不同β折疊含量的HB60和HB360水凝膠(比例尺為5?μm);c:GH10中β折疊斷裂的水凝膠(比例尺為50?μm);d:GH10中放大的β折疊(比例尺條為5?μm);e:CB360中具有β折疊的晶膠(比例尺為50?μm);f:CB360中放大的β折疊(比例尺為10μm)。
蜘蛛教你如何制備高強度水凝膠
圖5:初始和含β折疊的網(wǎng)絡的結構特征。使用不同Val NCA單體濃度(HB30、HB60、HB360、CB360)獲得的網(wǎng)絡,相應濃度表示為每個圖例的后綴。a:ATR-FTIR,及 3000?cm?1和4000?cm?1處的重點;b:XRD譜。
蜘蛛教你如何制備高強度水凝膠
圖6:含β折疊的網(wǎng)絡的力學性能總結。采用不同Val NCA單體濃度(0~360?mg/mL)得到的網(wǎng)絡:?a、c:分別為水凝膠和晶膠的壓縮應變-應力曲線;?b、d:分別為水凝膠和晶膠的壓縮模量(剛度)隨Val NCA單體濃度的變化;e:水凝膠的強度和韌性;f:含甘氨酸水凝膠的斷裂強度和斷裂壓縮性(壓縮率)。所有誤差線表示標準偏差(n?=?3)。

 

蜘蛛教你如何制備高強度水凝膠
圖7:初始和含β折疊的網(wǎng)絡的TGA分析。采用不同Val NCA濃度(60、120、360?mg/mL)制成的網(wǎng)絡:a:水凝膠;b:晶膠。
蜘蛛教你如何制備高強度水凝膠
圖8:在惡劣環(huán)境中含β折疊網(wǎng)絡的降解曲線。a、c、e:水凝膠降解。b、d、f:晶膠降解。a、b在2?M HCl中獲得;c、d在2?M NaOH中獲得;e、f在6?M GdnCl中獲得。誤差線由實驗誤差確定。
蜘蛛教你如何制備高強度水凝膠
圖9:化學成分與前面水凝膠相似的3D打印網(wǎng)絡。a、c、e是基于壓印在矩形板上的字母打印的模型,而b、d、f是基于矩形板上凸出的字母打印的模型。a、b是打印的原始三維模型,c、d是打印后即時的3D打印網(wǎng)絡,e、f是對其進行NCA ROP后的3D打印網(wǎng)絡。g:NCA打印前后3D打印網(wǎng)絡在3000至4000?cm?1之間的ATR-FTIR。

相關新聞

微信
微信
電話 QQ
返回頂部