南京大学王炜、薛斌、曹毅教授团队 Adv. Mater. : 机械力诱导的适应性自增长蛋白水凝胶

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近期，南京大学王炜、薛斌、曹毅团队成功设计出一种基于机械力诱导的适应性自增长蛋白水凝胶体系。该水凝胶能够在受力条件下实现自主生长，并通过在应力作用过程中增强其基本力学性能。其核心机制是利用储铜蛋白Csp1的力响应特性：在机械力作用下，Csp1发生可控解折叠，释放出Cu(I)；释放的Cu(I)催化原位叠氮化物-炔烃环加成反应，从而在承受载荷时形成次级交联网络，增强材料力学性能。卸除外力后，Csp1可重新折叠并结合Cu(I)，催化反应随之暂停，而材料自身仍保持再次生长的潜力（图1）。

该工作以“Mechanically Induced Adaptive Self-Growing Protein Hydrogel”为题发表在《Advanced Materials》上。

图1机械力诱导适应性自增长蛋白水凝胶的设计。

图2通过蛋白质展开释放Cu(I)及重折叠恢复其功能的分子机制表征

图3机械力诱导的Cu(I)在Csp1交联水凝胶中的释放和重吸收。

图4机械力触发的水凝胶时空自增长。

图5机械力触发Cu(I)催化叠氮-炔环加成反应(CuAAC)并驱动二次交联形成机理的验证。

综上，该工作提出了一种由蛋白介导的闭环力-催化策略，构建出一类具备“力学智能”的新型材料。其核心在于利用金属蛋白在受力条件下的可逆展开与重折叠，实现对Cu(I)离子的按需释放与回笼，进而可控地驱动叠氮-炔基点击化学反应，诱导水凝胶网络发生二次交联。这种机械催化反馈回路使水凝胶在封闭系统中实现应力和时间依赖性的自我增强，无需外部单体供应。与传统应变硬化或不可控的自增长体系不同，该水凝胶能够在机械刺激下逐步增强，卸载后生长及时暂停，并在再次受力时重新启动，呈现出一种可编程的增强行为。水凝胶通过利用 Cu(I) 的稳态在循环生长 - 暂停 - 生长的转变中表现出可编程的机械记忆。

通过将力依赖的蛋白质构象动力学与催化活性相结合，该策略为设计在机械刺激下结构和功能不断演化的自适应生物材料建立了一个通用的机械化学框架。该机制将生物体系中的力信号转导与合成材料中的力化学反应有机结合，为单网络、可自主进化的水凝胶系统提供了新的设计思路。更重要的是，该体系无需外源单体补给，即可依据外界力学环境实现性能的自主优化，在自适应生物材料、软体机器人、可植入器件及力响应组织工程等领域展现出广阔的应用前景。

链接地址：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202523636

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