纤维状蛋白质基智能材料研究进展_吕生华.pdf

第4 1卷 第3期 陕西科技大学学报 V o l.4 1N o.3 2 0 2 3年6月 J o u r n a l o fS h a a n x iU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y J u n.2 0 2 3*文章编号:2 0 9 6-3 9 8 X(2 0 2 3)0 3-0 0 0 7-1 3纤维状蛋白质基智能材料研究进展吕生华,曹兴中,刘 相,刘雷鹏,危得全,魏艳敏(陕西科技大学 轻工科学与工程学院,陕西 西安 7 1 0 0 2 1)摘 要:纤维状蛋白质作为构成生命体的物质基础,不仅具有生物相容性和可降解性好的特点,而且对外界环境的刺激具有响应性及可调控性好等功能.因此,纤维状蛋白质在智能材料的研究及应用方面具有很大的发展潜力.目前,有关纤维状蛋白质的研究与应用,已经引起了人们的广泛关注.本文主要综述了近些年丝素蛋白、角蛋白、胶原和弹性蛋白等常见纤维状蛋白质在智能材料方面的应用现状及进展情况;介绍及分析了利用纤维状蛋白质设计具有p H值响应性、温敏性、光敏性、湿敏性及构象变化响应的智能材料的方法和存在问题;讨论了其在智能水凝胶材料、智能生物传感器材料、智能3 D打印油墨及智能柔性可穿戴材料等方面的应用优势.这对今后设计具有特异结构、生物相容性、多功能性、刺激响应性等新型智能蛋白质材料具有重要的指导意义.关键词:纤维状蛋白质;智能材料;水凝胶;传感器;柔性材料中图分类号:O 6 2 9 文献标志码:AR e s e a r c hp r o g r e s so f f i b r o u sp r o t e i n-b a s e ds m a r tm a t e r i a l sL VS h e n g-h u a,C A OX i n g-z h o n g,L I UX i a n g,L I UL e i-p e n g,WE ID e-q u a n,WE IY a n-m i n(C o l l e g eo fB i o r e s o u r c e sC h e m i c a la n d M a t e r i a l sE n g i n e e r i n g,S h a a n x iU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y,X i a n7 1 0 0 2 1,C h i n a)A b s t r a c t:F i b r o u sp r o t e i n s,a s t h em a i nc o n s t i t u e n tb a s eo f l i f e,n o to n l yh a v et h en a t u r a l a d-v a n t a g e so fb i o c o m p a t i b i l i t ya n dd e g r a d a b i l i t y,b u t a l s oe x h i b i t t h e f u n c t i o no fg o o dr e s p o n s ea n dr e g u l a t i o nt oe x t e r n a le n v i r o n m e n ts t i m u l a t i o n.T h e r e f o r e,f i b r o u sp r o t e i nh a sg r e a td e-v e l o p m e n tp o t e n t i a l i n t h e r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f i n t e l l i g e n tm a t e r i a l s.A t p r e s e n t,t h e r e-s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f f i b r o u sp r o t e i nh a v ea t t r a c t e dt h ea t t e n t i o no f r e s e a r c h e r s.T h i sp a-p e rm a i n l yr e v i e w s t h er e s e a r c hs t a t u sa n dp r o g r e s so f c o mm o nf i b r o u sp r o t e i n ss u c ha ss i l kf i b r o i n,k e r a t i n,c o l l a g e na n de l a s t i n i ns m a r tm a t e r i a l s i nr e c e n ty e a r s.B e s i d e s,t h ep a p e r i n-t r o d u c e sa n da n a l y z e s t h ed e s i g nm e t h o da n de x i s t i n gp r o b l e m so fs m a r tm a t e r i a l sw i t hp Hr e s p o n s i v e n e s s,t e m p e r a t u r es e n s i t i v i t y,p h o t o s e n s i t i v i t y,m o i s t u r es e n s i t i v i t ya n dc o n f o r m a-t i o n a l c h a n g er e s p o n s ep r e p a r e df r o mf i b r i l l a rp r o t e i n s.T h e i r a p p l i c a t i o na d v a n t a g e s i n i n t e l-l i g e n th y d r o g e lm a t e r i a l s,i n t e l l i g e n tb i o s e n s o rm a t e r i a l s,i n t e l l i g e n t3 Dp r i n t i n gi n k sa n di n-t e l l i g e n t f l e x i b l ew e a r a b l em a t e r i a l sa r ea l s od i s c u s s e d.T h i sp a p e rw i l lp r o v i d eg u i d a n c ef o rt h e f u t u r ed e s i g no fn e wi n t e l l i g e n tp r o t e i nm a t e r i a l sw i t hs p e c i f i cs t r u c t u r e,b i o c o m p a t i b i l i-t y,v e r s a t i l i t ya n ds t i m u l u s r e s p o n s ee t c.K e yw o r d s:f i b r o u sp r o t e i n;i n t e l l i g e n tm a t e r i a l;h y d r o g e l;s e n s o r;f l e x i b l em a t e r i a l s*收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 5基金项目:国家自然科学基金项目(2 1 2 7 6 1 5 2,2 1 0 7 6 1 2 1);陕西省区域创新能力引导计划项目(2 0 2 1 Q F Y 0 4-0 4)作者简介:吕生华(1 9 6 3),男,陕西乾县人,教授,博士,研究方向:功能高分子材料及水泥基复合材料DOI:10.19481/ki.issn2096-398x.2023.03.006陕西科技大学学报第4 1卷0 引言智能材料是能够对一种或多种环境刺激(如p H值、温度、光、湿度、电、磁场、力或生物刺激等)做出可逆响应并具有各种应用价值的材料,如传感器、执行器、电子皮肤、人工肌肉、智能药物载体等1,2.在以前的研究工作中,研究人员主要选择金属合金、无机化合物和聚合物等作为智能材料的基底3-5,这类材料用于制备电子皮肤、人工肌肉和智能药物载体等智能材料时存在着通过结构调控实现智能性功能困难、对于环境刺激响应速度慢及生物相容性差等缺点,从而限制了其应用6.研究中人们发现蛋白质具有复杂的拓扑结构及可编程自组装性,适合构建具有复杂结构和多种功能的智能材料7-9.蛋白质是一切生命体赖以生存的重要物质,蛋白质的一个重要特征就是能够感知及响应各种环境和生物刺激如光、p H值、温度、金属离子和特定分子等7,1 0-1 2.蛋白质的种类很多,其中纤维状蛋白质在构筑智能材料方面具有重要的意义,纤维状蛋白质包括丝素蛋白、角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白等1 3,主要来源于丝绸、羊毛、皮革等蛋白质材料.目前利用天然纤维状蛋白质或其衍生物作为“智能材料”是研究热点领域1 4,因此对其研究现状进行综述及分析对于其未来的研究及发展具有积极意义.1 常见纤维状蛋白质结构和性能纤维状蛋白质的分子类似细棒状或者纤维状,具有高度重复的氨基酸序列,因此形成相对均匀的二级结构赋予蛋白质独特的机械和结构特性,能在动物体内和体表起支撑和保护作用,所以又称为结构蛋白.图1是天然纤维蛋白质来源和一级结构中氨基酸的不同重复单元.人们根据X射线衍射图或者肽链构象的不同,把纤维状蛋白质分为-螺旋型(-角蛋白)、-折叠片层型(丝素蛋白)和三股螺旋(胶原蛋白)等.利用蛋白质的重组性可以通过“自下而上”与传统的“自上而下”生物制备技术与方法1 5,设计制备出能够对人工及环境刺激反应具有敏感响应性的智能材料1 6,将其应用于具有智能要求的医学、传感、三维(3 D)打印油墨及柔性可穿戴电子材料等中.图1 纤维蛋白的天然来源和一级结构中氨基酸重复结构1 31.1 丝素蛋白丝素蛋白(S F)是一种天然存在的蛋白质,来源于蚕丝、蜘蛛丝等,作为一种天然生物聚合物,由于其易加工性、优异的生物相容性和生物降解性,在生物医学和可穿戴设备领域得到广泛研究1 7.如蜘蛛丝具有重量轻、强度高及弹性好的特点.S F多以蚕丝作为原料,通过在碱性溶液(碳酸氢钠、溴化锂)处理提取得到.蚕丝主要由丝素和丝胶两类蛋白质组成.丝素长丝被组织成纳米纤维束占蚕丝纤维重量的7 0%7 5%,剩下的丝胶(分子量2 03 1 0k D a)是一种可以将丝素纤维粘合在一起的水溶性胶状蛋白1 8.蚕丝中的丝素蛋白通常是由11的轻链(2 6k D a)和重链(3 9 0k D a)组成的二聚体,并通过一个二硫键相连,其初级序列由高度重复的六肽序列组成,如甘氨酸-X重复序列,X是丙氨酸、丝氨酸、苏氨酸和缬氨酸(如图2(a)所示)1 9.因此固态S F的蛋白质构象可呈现两种形态,即结晶/纺丝前的腺体状态(丝素I)和具有二级结构的纺丝状态(丝素I I).一般丝素I结构是水溶性的,在热、有机溶剂(醇类)或物理(超声、p H值)等处理下,可以很容易地转化为不溶于水的丝素I I结构.由于S F链上含有极性羟基的丝氨酸和含有功能酚羟基的酪氨酸以及大量甘氨酸和丙氨酸使得S F链本质上是疏水的,因此它们在水中容易组装成-折叠,并由系列氢键稳定,相互作用决定了蛋白质的结晶度,可以赋予S F物理凝胶的能力,而敏感性作为构建智能响应性材料的基础.另外,S F溶液对机械力极为敏感,剪切和张拉力都可以8第3期吕生华等:纤维状蛋白质基智能材料研究进展展开和排列S F链,促进-折叠的形成,搅拌或流动都能诱导S F构象从无序结构转变为有序的-折叠结构.随着浓度的增加,S F分子优先通过广泛的氢键形成稳定和不可逆的-折叠结构,同时S F具有温度诱导相变导致构象转变的倾向.这些刺激因素引起构象变化可以进一步用于催化或信号传递、刺激响应,或与其它材料相互作用,是设计新型智能材料的理想成分2 0.图2 丝素蛋白、角蛋白、胶原蛋白的结构特点1 91.2 角蛋白角蛋白是毛发、爪子、指甲、蹄、角、鳞、喙和羽毛的主要成分,是一种有效的天然生物材料,具有良好的生物相容性和细胞相互作用位点,广泛来源于低成本和具有生物降解性的工业废料.角蛋白纤维一般由两个主要的形态部分皮质层(纤维的内部)和角质层外层构成,进一步可以分为两类:I型(酸性)角蛋白和I I型(碱性)角蛋白.如图2(b)所示,皮层由纺锤形的纤维组成,由一层膜隔开,膜由非角质蛋白和脂质组成.角质层占总重量的1 0%,起到保护内层和保持水分的作用.-角蛋白自组装成长丝状纤维,可以在不断裂的情况下得到相当大的伸展,使 毛 发 具 有 较 高 的 机 械 强 度、惰 性 和刚性2 1.角蛋白的-S H和-S-S-可以通过化学修饰赋予其p H值响应性、热敏性、溶胀性,这些刺激响应性不是由静电斥力/吸引驱动的,而是起源于多肽构象的变化,利用这一特性可以作为传感器和制动器等智能材料应用于生物医学领域2 2,2 3.角蛋白的纤维在被拉伸或暴露在特定刺激下时,结构解卷、键重新排列,形成稳定的-折叠,纤维保持在该位置直到外界触发以恢复其原始形状,依此作为构建块用来设计智能材料.利用从-螺旋到-折叠的可逆角蛋白自组装转变过程作为各向异性结构和响应性的机理,可以用来设计具有高强度智能形状记忆材料2 4.1.3 胶原蛋白胶原蛋白是人体内含量最丰富的蛋白质,具有良好的生物相容性、极低的抗原性、柔韧性和良好的生物降解性2 5.如图2(c)所示,胶原蛋白具有复杂的层次结构:一级结构为氨基酸三联体,以富含脯氨酸(P r o)的氨基酸序列G l y-X-Y为特征,每个氨基酸三联体上有一个甘氨酰(G l y)残基以及通常分别位于X和Y位的P r o和4-羟基 脯 氨 酸(H y p);二级结构是由氨基酸三联体重复折叠形成的链;三级结构为原胶原分子,是一个左手的三螺旋结构,通常由三个链组成,分别称为1(I)、1(I I)和2(I),每个链都含有约10 0 0个氨基酸;链间共价键将原胶原分子连接起来,形成稳定的胶原纤维2 6.从物理角度看胶原分子可以自组装成纤维,包括主要存在于端肽中的赖氨酸、羟赖氨酸和醛残基,形成三股螺旋结构,纤维交联证细胞外基9陕西科技大学学报第4 1卷质的机械强度和完整性,而纤维直径的分布以及交联度对组织的抗拉强度和弹性有很大的影响2 7.因此通过调整不同的物理参数,包括胶原浓度、p H值、温度、离子含量、各向异性、等电点,都可以改变胶原的凝胶动力学、硬度和纳米纤维结构2 8.胶原基质微观结构的各向异性和排列在很大程度上会影响其机械性能,I型胶原单体自组装成纤维状结构,可能会交联或缠绕,形成具有不同网络结构和机械性能的粘弹性凝胶.除了在食品、医学领域的应用外,富含I型胶原的动物组织也是皮革、化妆品和明胶等产品的重要来源2 9,明胶是胶原在酸、碱、酶或高温作用下的变性产物,与胶原一样由1 8种氨基酸组成,但已失去了生物活性.通过化学修饰胶原胺基和羧基结构3 0,具有成本低、免疫原性低、通用性强、生物相容性好、与天然细胞外基质相似等优点,因此在生物医药领域可以用于生产智能药物缓释载体、智能柔性传感器、智能可穿戴电子设备等.1.4 弹性蛋白弹性蛋白是细胞外基质中的一种蛋白质成分,广泛存在于进行伸展和回缩的器官中,如大动脉血管、弹性韧带、软骨和皮肤等3 1.皮肤中存在丰富的弹性蛋白纤维,赋予皮肤弹性和延展性.锁链素和异锁链素是天然弹性蛋白的两个主要交联,每一个都涉及四个赖氨酸残基,这些赖氨酸残基通过赖氨酰氧化酶交联3 2.因此弹性纤维的稳定结构是通过肽链之间的氧化赖氨酰残基间形成的共价交联,增加弹性蛋白纤维的硬度,而交联结构一旦形成,在生物环境下不再逆转3 3.由于存在交联结构导致弹性蛋白的溶解性很差,很难加工成新的生物材料.第一种方法是用热碱、胍或草酸(产生-弹性蛋白)和氢氧化钾的增溶处理可以用来水解从动物组织中收获的弹性纤维成分,溶解的弹性蛋白保留了弹性蛋白单体的许多物理化学性质,包括自组装的能力,但是缺少完整结构3 4.第二种方法是通过优化大肠杆菌中重组原弹性蛋白的遗传密码子,可以更容易地通过细菌培养获得合成出高纯度的重组原弹性蛋白.通过合成或重组的方法获得类弹性蛋白多肽(E L P s),其优点除了保留了亲本蛋白原有的自组装特性和热响应 性,表 现 出 更 好 的 水 溶 性.温 度 敏 感 性E L P s是一类由多肽序列组成的重组生物聚合物,这一序列的独特之处在于它在临界溶液温度以下溶解,超过临界温度后会自组装形成凝胶3 5.因此E L P s具有良好的响应性和可逆相变能力,是一种很有吸引力的新型生物材料,从水凝胶和支架到纤维和人工组织,在医学和工程领域有着许多“智能聚合物”的应用.2 纤维状蛋白质基智能材料的制备及应用基于纤维状蛋白质组装体表现出对环境刺激响应的智能行为,近些年通过自下而上的技术构筑多维多样化的“智能”蛋白质功能组装体成为了研究的热点3 6,3 7.基于纤维状蛋白质作为基础材料开发的对温度、湿度、p H值、光、电等具有灵敏刺激响应性的智能材料如“智能”水凝胶3 8、生物传感器、智能柔性可穿戴设备、智能药物释放载体、智能3 D打印油墨等已经获得了应用3 9.2.1 智能水凝胶水凝胶的结构是以三维聚合物网络为基础,这种网络可以在水中吸水膨胀并保持大量水分,同时保持其结构不被破坏4 0.多种天然材料都可以形成无细胞毒性的聚合物水凝胶.这些天然聚合物可分为蛋白质(胶原蛋白、明胶、纤维蛋白、弹性蛋白、角蛋白、丝素蛋白、肌球蛋白等)、多糖(纤维素、直链淀粉、海藻酸盐、壳聚糖等)等4 1-4 3.尤其是蛋白质基水凝胶可以模拟人体组织细胞外基质的特征,具有多功能性、生物相容性、适应性和对刺激的响应性,以及可调的强度和弹性模量4 4.纤维状蛋白质基水凝胶主要通过物理/非共价交联、化学/共价交联凝胶法以及酶交联方法制备4 5.角蛋白在过氧化氢氧化下得到水凝胶,过程中角蛋白的-S H和-S-S-基团氧化成-S O3,保持了水凝胶的三维结构和蛋白质的一级序列4 6,4 7.利用角蛋白水凝胶对介质p H值和特定离子的存在表现出可逆的刺激响应行为,表明其可以用作智能传感材料4 8,如其对C a2+、C u2+表现出膨胀和收缩的可逆刺激响应行为.C h e n等4 9基于二硫键重组,开发了一种葡萄糖触发的原位角蛋白水凝胶.氧化性是由葡萄糖氧化酶(G O D)催化体液中葡萄糖所体现的,水凝胶前体溶液由角蛋白、半胱氨酸和G O D组成,可通过G O D催化体液中葡萄糖的氧化而温和地生成H2O2(如图3所示),与传统的O2氧化法和直接加H2O2法相比,G O D催化氧化法的优点是间接和逐步地提供较高的H2O2氧化力,不仅缩短了凝胶的成胶时间,提高了水凝胶的机械强度,而且避免了角蛋白中巯基的过氧化.同时,智能水凝胶可适应任何不规则形状的伤口且不需要添加交联剂或对角蛋白进行化学修饰,从而使水凝胶具有良好的生物相容性.这种葡萄糖触发的原位形成角蛋白水凝胶“智能材料”为创伤愈合治疗和组织工程中的其他潜在01第3期吕生华等:纤维状蛋白质基智能材料研究进展应用提供了一种有效的策略5 0-5 2.图3 葡萄糖诱导的原位形成角蛋白水凝胶机理及合成步骤图5 02.2 智能生物传感器材料传感器作为当下一个重要的发展领域,蛋白质基生物传感器在临床检测或家庭护理点监测中体现出巨大的应用潜力,一般来说,生物传感器的设置主要有三个部分,即目标识别、信号转导和响应输出5 3-5 5.具有不同活性官能团、大比表面积和特定识别系统的蛋白质,它们通常可以满足生物传感器的两个基本要求,即选择性和灵敏度.基于可再生、生物友好的天然蛋白质材料设计能够与生物组织具有相容性、可持续、高性能生物传感器的发展至关重要5 6.利用S F的多功能性,L i u等5 7设计了一种具有协同优异、机械/热双重敏感性、生物安全性、耐久性、耐极端温度和抗菌性能的S F智能水凝胶传感器.S F在高浓度L i B r溶液中预先溶解,通过S F与环氧交联剂的开环反应,化学交联合成了含有导电聚合物聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(P E D O TP S S)的水凝胶(S F-L i B r),赋予其导电性和热响应性,然后依次浸泡在水和单宁酸(T A)甘油/水二元溶剂,T A能与水凝胶网络中的极性基团形成强的化学结合键,促进了T A在水凝胶中的自由扩散,从而获得具有极强韧性、极端耐温性、耐湿性和抗菌等性能的丝素蛋白/单宁酸/甘油/水(S T-GW)水凝胶传感器,可用于监测大型或细微的人体运动,而且在-4 0 到6 0 范围内表现出显著的压敏性和电子耐用性,传感器能够响应从2 0到6 0的外部温度变化,具有更好的温度灵敏度和高分辨率(1)的温度分辨率(如图4所示),其多功能性有望应用于电子皮肤、人工智能和人机界面领等领域.11陕西科技大学学报第4 1卷图4 S T-GW水凝胶传感器在温度下的机械刺激特性5 7 不同的功能材料可以掺杂或修饰到蛋白质表面作为信号产生或放大的探针,从而提高传感器的灵敏度5 8,5 9.以含铬废革中的胶原(C A)为基材,W a n g等6 0以聚苯胺(P AN I)酸化多壁碳纳米管(H-MWNT s)作为导电材料(P-M)掺杂在不同的C A层中,设计了多功能胶原骨料的多层三维网络结构柔性传感器.其基底层具有提供交叉电极和湿度传感的功能,压电层内的多层三维网络提供了极高的压电传感能力(如图5所示).具有灵敏度高、检测范围大(2 81 0 0K P a)、响应时间短(1 1 0m s)等多功能优点,可同时检测压缩、弯曲和扭转应变,同时由于C A具备独特的柔软性,使得所制备的传感器呈现出传统传感器所不具备的舒适度、可降解性和耐久性等多个优点,在实时健康监测、生物医学、智能机器人等领域具有广阔的应用前景6 1,6 2.图5 胶原的结构及应用2.3 智能3 D打印油墨3 D打印是一种变革性的制造策略,允许快速成型、定制和灵活处理结构-性能关系6 3.3 D打印的关键部件是打印油墨,其特性和功能在很大程度上取决于油墨的理化、流变和材料等特性,而生物油墨由于其优异的生物相容性、可设计性等具有广泛研究价值6 4,6 5.常见纤维蛋白的复合功能化材料可以最大限度地减少免疫反应,促进与宿主的整合,并随着时间的推移完全降解,产生多肽和氨基酸作为细胞的营养物质,如胶原蛋白、丝素、纤维蛋白原、角蛋白等利用其具有热敏性、光敏性等对环境刺激做出响应的性能,作为“智能”生物油墨已经被使用到许多3 D打印结构中6 6.从液体到固体的溶胶-凝胶转变,通常与蛋白质分子的交联有关,各种交联机制已被用于制备蛋白质基可打印油墨,并用于增强可印刷性,其机理包括通过弱键进行分子自组装和通过共价键进行化学交联,通常使用多种交联机制来增强印刷性和强度6 7-7 0.前者的特点是形成弱的链间和链内相互作用,可以通过除水、加热、超声、p H值和盐来实现,在没有化学试剂或副产品的情况下自组装.例如:温度敏感性类弹性蛋白(E L P s)其独特之处在于在临界溶液温度以下溶解而在超过临界温度后会自组装形成凝胶,这种热响应性可以用于自组装3 D打印生物油墨7 1.利用E L R s与氧化石墨烯(G O)共组装的无序到有序转变,设计具有自组装生物油墨7 2,E L R s-G O生物油墨可以制作单个管状结构,具有层次化的组织结构,分辨率可达约1 0m,壁厚约为2m,这些结构可以在组装后立即灌注,并表现出类似生理结构的物理特性(如图6所示).生物油墨可以通过调节G O的浓度来实现印刷保真度、结构孔隙度和渗透率的控制,具有生物相容性,有助于人脐静脉内皮细胞(HUV E C)的生物打印、生长和正常功能.3 D打印过程逐渐形成了不同结构和渗透性的管壁,说明了通过超分子制造的E L R s-G O智能生物油墨能够实现这种仿生结构7 3,7 4.丙烯酸酯基团的自由基光聚合由于反应效率高而被广泛应用于基于蛋白质的油墨的3 D打印,天然蛋白质中不存在丙烯酸酯基团,因此需要化学改性,如明胶进行化学处理可以引入(甲基)丙烯酰21第3期吕生华等:纤维状蛋白质基智能材料研究进展基,在光照射下甲基丙烯酰基以链增长的方式相互聚合,同时添加交联剂可以更好的控制蛋白质的光聚合分子网络7 5-7 7.D o n g h y e o k等7 8提出了一种不需要模具,采用数字光处理(D L P)3 D打印技术,在低浓度的水溶液中直接构建3 D结构,得到D L P打印S F的“蛋白质微针”.另外,硫醇-烯光聚合反应,该反应机理偶联C=C双键/烯和巯基-硫醇基团两个互补基团,属于点击化学,具有快速、高效的特点.利用这些优点可以减少光引发剂浓度和光照时间,有利于细胞相容性、形成均匀的聚合物网络及更好的保真度,因此,硫醇-烯反应对于某些侧链富含半胱氨酸和硫醇的纤维状蛋白质是有利的7 9.图6 E L R s-G O3 D打印生物墨水组装原理和结构示意图7 22.4 智能柔性可穿戴材料柔性材料具有可变形、可伸缩、重量轻等优点,是作为个人“智能防护设备”(P P E)的理想材料,也是可穿戴系统中的主要功能部件8 0.利用一些纤维状蛋白质对压力、温度或湿度的响应性及优异的生物相容性作为“智能”柔性可穿戴材料(如电子皮肤、致动器),可自发地将环境刺激(p H值、温度、光、湿度和压力等)转换成实时和可视化的电子脉冲实现对于刺激作用的预警及检测,提高防护能力及减少意外伤害8 1,8 2.设计智能可穿戴材料时,其延展性、超薄性、轻量化以及快速响应性是健康监测平台的基本要求,方便从可穿戴的带子、护垫、腕带或皮肤获取生理信息8 3.S F具有良好的生物相容性和降解速率,是一种理想的柔性材料,G o n g等8 4开发了一种高透明度、生物相容性、完全可降解和柔性纳米发电机(T E NG)可以作为智能自供电柔性可穿戴设备.通过掺杂甘油和聚氨酯(P U)对S F进行功能化处理,显著增强丝蛋白膜的机械柔 韧性(应变=5 2 0%),然后在丝膜上构建中空银纳米纤维,形成一层透气、可拉伸、生物相容性和可降解的摩擦电极,以驱动可穿戴电子设备,如作为人造电子皮肤进行触摸/压力感知及无线网络开关制动器.柔性智能响应蛋白质基功能材料作为可穿戴设备中的组件已被广泛研究,Y u e等8 5基于蜘蛛网和蚂蚁触角构建了一种具有多层纳米结构的仿生多功能电子皮肤,它可以通过摩擦纳米发电机收集生物能量,同时可智能检测湿度、温度和压力变化.由于聚乙烯醇/聚偏氟乙烯纳米纤维的蜘蛛网结构、及内部珠链结构和胶原纳米纤维聚集体的正摩擦材料(如图7所示),其具有高的压力灵敏度(0.4 8Vk P a-1)和高检测范围(01 3 5k P a),模仿蚂蚁触角的纳米纤维为电子皮肤提供了较短的响应和恢复时间(分别为1 6s和2 5s),以适应较宽的湿度范围(2 5%8 5%RH),天然胶原纳米纤维聚集体确保了电子皮肤的生物降解性、生物兼容性和透气性,在人机界面和人工智能中显示出巨大的实用性前景8 6.可穿戴传感技术的迅速发展为人工智能提供了前所未有的机遇,建立了物理世界和虚拟世界之间的交互界面.基于多功能可穿戴传感S F摩擦纳米发电机,可提供体系需要的能量,同时可精确地检测环境湿度和人体运动的成分,能够区分空气中水分子的存在状态,可以监测人体呼吸状态8 7.31陕西科技大学学报第4 1卷图7 电子皮肤设备的结构、组成、生物相容性和透气性8 52.5 智能药物释放载体纳米技术已被应用于制药领域,用于输送具有治疗各种疾病的活性药物成分,纳米粒子(N P s)作为药物释放载体的核心目标是将所需剂量的药物输送到所需的作用部位(例如:肿瘤)用于应对疾病的诊断和治疗8 8.而蛋白质纳米粒子不会造成细胞毒性,并且可以通过表面功能化来改变它们的停留时间和靶标特异性,同时降低免疫反应的幅度,提高被细胞充分吸收的程度.目前,将具有p H值响应、温度响应、光响应等性能蛋白质作为智能药物释 放 载 体 用 于 药 物 输 送 系 统 已 有 广 泛 研究8 9-9 1.例如:由于p H值在不同器官和癌细胞会有变化,p H值触发智能触发药物载体释放的重要性越来越大,利用这一特殊特征设计具有p H值依赖性的聚合物载体,使药物分子更精确地释放到目标位置9 2.胶原/明胶纳米粒子、S F纳米粒子、弹性蛋白纳米粒子、角蛋白纳米粒子、酪蛋白纳米粒及蛋白质修饰纳米粒子广泛用于研究药物载体,具有可生物降解的、可代谢的、非抗原性的特征9 3,9 4.胶原/明胶纳米颗粒含有氨基酸的胺基和羟基使得易于官能化,在不同p H值下胶原/明胶纳米颗粒对p H值具有响应性,如在中性和碱性p H值下明胶纳米颗粒具有更大的溶胀能力,从而在药物输送中包裹有无机药物的明胶纳米颗粒具有不同p H值 下 的 释 放 曲 线,可 用 于 某 些 疾 病 的 治疗9 5-9 7.例如:在表面包覆了白细胞介素-1 7(I L-1 7)适配子的氧化铈纳米颗粒被负载到明胶水凝胶中,可 用 于 治 疗 炎 症 相 关 的 脑 损 伤7 1.温 敏 性E L P s的自组装特性和热响应性已被有效地用于输送治疗剂,表现出更好的水溶性.例如:E L P-连41第3期吕生华等:纤维状蛋白质基智能材料研究进展接药物和E L P-纳米粒结合物都已被开发用于治疗部分的温度响应性和缓释,可用于延长药物释放时间.E L P s在特定的转变温度以上可形成水凝胶状聚集体,并控制药物释放的时间9 8.角蛋白不易被酸消化,同时具有低免疫原性、p H值响应性和生物相容性,从而可以作为药物载体受到广泛研究.L i u等9 9在其一项研究中,通过将阿霉(D O X)p H值敏感性的腙键连接到角蛋白纳米颗粒上,然后通过去溶剂化方法制备成颗粒状智能药物载体(如图8所示).角蛋白中的羧酸基团使角蛋白-药物结合物表面带负电荷,降低了免疫识别和免疫应答,在酸性肿瘤微环境中,由于质子化,负电荷丢失,因此,纳米粒子的电荷反转为表面正电荷,这促进了细胞内化,导致药物更快的释放,以使得A 5 4 9肺癌细胞活力的更快降低,是一种理想的智能药物释放载体1 0 0,1 0 1.蛋白质的两亲性使它们能够高效地负载疏水和亲水分子,蛋白质纳米粒子的官能化能力可以用不同的功能部分来化学修饰粒子的表面1 0 2-1 0 4,从而赋予了额外的特性,如靶标特异性、隐形特性、可视化能力、刺激响应性、胶体稳定性以及长循环时间,同样可以方便进行表面调节和药物与配体的共价连接1 0 5-1 0 7.从蛋白质的组装体的设计和生物材料的观点来看,基于蛋白质的纳米颗粒为表面修饰和共价药物结合作为智能药物载体具有优异的研究前景.图8 角蛋白腙键偶联D O X纳米粒子制备示意图1 0 03 结论及展望基于蛋白质功能材料表现出对外界刺激(p H值、温度、湿度、光等)的“智能”行为,从而使它们在各个领域的应用变得越来越普遍,目前成为了研究的热点.本文论述了纤维状蛋白质在智能材料中的研究现状,介绍了丝素蛋白、角蛋白、胶原和弹性蛋白等常见纤维状蛋白质的结构和智能响应的性能,分析了具有p H值响应、温敏性、光敏性、构象变化响应及湿敏性的纤维状蛋白质作为智能材料结构基础及设计原理,总结了其在智能水凝胶、智能生物传感器、智能3 D打印油墨及智能柔性可穿戴材料方面的研究进展.与一些合成聚合物相比,纤维状蛋白质基功能材料结构中具有特异性、生物相容性、可降解性以及构象折叠/展开可相互转变的特点,使其在构筑具有多功能性、强适应性、灵敏刺激响应性及强度和弹性模量的可调控性智能材料方面具有不可替代的优势.智能蛋白质功能材料的发展和应用依赖于蛋白质自身的结构、性能及其获取方式,决定于蛋白质功能材料的制备方法及其应用领域的对于蛋白质功能材料的性能要求.虽然基于特定需求开发出了许多具有智能行为的蛋白质功能材料,扩宽了在智能水凝胶、电子皮肤、3 D打印油墨、机器人等先进领域的应用范围,启发了如何实现从基本概念到多功能蛋白质材料的智能制造,但是这些材料大多还处于研究阶段,存在尚未投入大规模产业应用中的巨大挑战,因此可以考虑从生物学、蛋白质组学、材料学等不同角度入手展开研究,充分借鉴纳米生物技术,通过自下而上的方法或通过结合物理方法来构筑多维多样化的“智能”蛋白质功能组装体.例如:基于蛋白纤维智能柔性可穿戴材料,用于提醒佩戴者即将出现的身体健康紧急情况或作为智能机器人的电子皮肤感知外界刺激.将具有适当智能响应性的蛋白质材料与合适的制备方法相结合才能够制备获得具有智能行为的蛋白质功能材料,另外由于蛋白质基材料具备绿色、可持续、可生物降解和生物兼容等特点,也为其在人工智能、生物医学、能源环境、生物传感等领域的发展开拓了新思路.参考文献1L i uK,T i a nY,J i a n gL.B i o-i n s p i r e ds u p e r o l e o p h o b i ca n ds m a r tm a t e r i a l s:D e s i g n,f a b r i c a t i o n,a n da p p l i c a t i o nJ.P r o g r e s s i nM a t e r i a l sS c i e n c e,2 0 1 3,5 8(4):5 0 3-5 6 4.2Q i a nZG,Z h o uML,S o n gW W,e ta l.D u a l t h e r m o s e n s i-t i v eh y d r o g e l sa s s e m b l e df r o mt h ec o n s e r v e dC-t e r m i n a ld o m a i no fs p i d e rd r a g l i n es i l kJ.B i o m a c r o m o l e c u l e s,51陕西科技大学学报第4 1卷2 0 1 5,1 6(1 1):37 0 4-37 1 1.3S t u a r tM AC,H u c kW TS,G e n z e r J,e t a l.E m e r g i n ga p-p l i c a t i o n so f s t i m u l i-r e s p o n s i v ep o l y m e rm a t e r i a l sJ.N a-t u r eM a t e r i a l s,2 0 1 0,9(2):1 0 1-1 1 3.4H o w e sPD,C h a n d r a w a t iR,S t e v e n sM M.C o l l o i d a l n a n o-p a r t i c l e sa sa d v a n c e db i o l o g i c a l s e n s o r sJ.S c i e n c e,2 0 1 4,3 4 6(62 0 5):12 4 73 9 0.5H eK,S h e nZ,C h e nZ,e ta l.V i s i b l el i g h t-r e s p o n s i v em i-c e l l e se n a b l ec o-d e l i v e r yo fn i t r i co x i d ea n da n t i b i o t i c sf o rs y n e r g i s t i ca n t i b i o f i l ma p p l i c a t i o n sJ.P o l y m e rC h e m i s-t r y,2 0 2 1,1 2(4 3):63 4 4-