呂生華, 曹興中, 劉 相, 劉雷鵬, 危得全, 魏艷敏

(陜西科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710021)

0 引言

智能材料是能夠?qū)σ环N或多種環(huán)境刺激(如pH值、溫度、光、濕度、電、磁場、力或生物刺激等)做出可逆響應(yīng)并具有各種應(yīng)用價(jià)值的材料,如傳感器、執(zhí)行器、電子皮膚、人工肌肉、智能藥物載體等[1,2].在以前的研究工作中,研究人員主要選擇金屬合金、無機(jī)化合物和聚合物等作為智能材料的基底[3-5],這類材料用于制備電子皮膚、人工肌肉和智能藥物載體等智能材料時(shí)存在著通過結(jié)構(gòu)調(diào)控實(shí)現(xiàn)智能性功能困難、對于環(huán)境刺激響應(yīng)速度慢及生物相容性差等缺點(diǎn),從而限制了其應(yīng)用[6].研究中人們發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)具有復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及可編程自組裝性,適合構(gòu)建具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和多種功能的智能材料[7-9].

蛋白質(zhì)是一切生命體賴以生存的重要物質(zhì),蛋白質(zhì)的一個(gè)重要特征就是能夠感知及響應(yīng)各種環(huán)境和生物刺激如光、pH值、溫度、金屬離子和特定分子等[7,10-12].蛋白質(zhì)的種類很多,其中纖維狀蛋白質(zhì)在構(gòu)筑智能材料方面具有重要的意義,纖維狀蛋白質(zhì)包括絲素蛋白、角蛋白、膠原蛋白、彈性蛋白等[13],主要來源于絲綢、羊毛、皮革等蛋白質(zhì)材料.目前利用天然纖維狀蛋白質(zhì)或其衍生物作為“智能材料”是研究熱點(diǎn)領(lǐng)域[14],因此對其研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述及分析對于其未來的研究及發(fā)展具有積極意義.

1 常見纖維狀蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和性能

纖維狀蛋白質(zhì)的分子類似細(xì)棒狀或者纖維狀,具有高度重復(fù)的氨基酸序列,因此形成相對均勻的二級結(jié)構(gòu)賦予蛋白質(zhì)獨(dú)特的機(jī)械和結(jié)構(gòu)特性,能在動物體內(nèi)和體表起支撐和保護(hù)作用,所以又稱為結(jié)構(gòu)蛋白.圖1是天然纖維蛋白質(zhì)來源和一級結(jié)構(gòu)中氨基酸的不同重復(fù)單元.人們根據(jù)X射線衍射圖或者肽鏈構(gòu)象的不同,把纖維狀蛋白質(zhì)分為α-螺旋型(α-角蛋白)、β-折疊片層型(絲素蛋白)和三股螺旋(膠原蛋白)等.

利用蛋白質(zhì)的重組性可以通過“自下而上”與傳統(tǒng)的“自上而下”生物制備技術(shù)與方法[15],設(shè)計(jì)制備出能夠?qū)θ斯ぜ碍h(huán)境刺激反應(yīng)具有敏感響應(yīng)性的智能材料[16],將其應(yīng)用于具有智能要求的醫(yī)學(xué)、傳感、三維(3D)打印油墨及柔性可穿戴電子材料等中.

圖1 纖維蛋白的天然來源和一級結(jié)構(gòu)中氨基酸重復(fù)結(jié)構(gòu)[13]

1.1 絲素蛋白

絲素蛋白(SF)是一種天然存在的蛋白質(zhì),來源于蠶絲、蜘蛛絲等,作為一種天然生物聚合物,由于其易加工性、優(yōu)異的生物相容性和生物降解性,在生物醫(yī)學(xué)和可穿戴設(shè)備領(lǐng)域得到廣泛研究[17].如蜘蛛絲具有重量輕、強(qiáng)度高及彈性好的特點(diǎn).SF多以蠶絲作為原料,通過在堿性溶液(碳酸氫鈉、溴化鋰)處理提取得到.蠶絲主要由絲素和絲膠兩類蛋白質(zhì)組成.絲素長絲被組織成納米纖維束占蠶絲纖維重量的70%～75%,剩下的絲膠(分子量20～310 kDa)是一種可以將絲素纖維粘合在一起的水溶性膠狀蛋白[18].蠶絲中的絲素蛋白通常是由1∶1的輕鏈(≈26 kDa)和重鏈(≈390 kDa)組成的二聚體,并通過一個(gè)二硫鍵相連,其初級序列由高度重復(fù)的六肽序列組成,如甘氨酸-X重復(fù)序列,X是丙氨酸、絲氨酸、蘇氨酸和纈氨酸(如圖2(a)所示)[19].因此固態(tài)SF的蛋白質(zhì)構(gòu)象可呈現(xiàn)兩種形態(tài),即結(jié)晶/紡絲前的腺體狀態(tài)(絲素I)和具有二級結(jié)構(gòu)的紡絲狀態(tài)(絲素II).一般絲素I結(jié)構(gòu)是水溶性的,在熱、有機(jī)溶劑(醇類)或物理(超聲、pH值)等處理下,可以很容易地轉(zhuǎn)化為不溶于水的絲素II結(jié)構(gòu).

由于SF鏈上含有極性羥基的絲氨酸和含有功能酚羥基的酪氨酸以及大量甘氨酸和丙氨酸使得SF鏈本質(zhì)上是疏水的,因此它們在水中容易組裝成β-折疊,并由系列氫鍵穩(wěn)定,相互作用決定了蛋白質(zhì)的結(jié)晶度,可以賦予SF物理凝膠的能力,而敏感性作為構(gòu)建智能響應(yīng)性材料的基礎(chǔ).另外,SF溶液對機(jī)械力極為敏感,剪切和張拉力都可以展開和排列SF鏈,促進(jìn)β-折疊的形成,攪拌或流動都能誘導(dǎo)SF構(gòu)象從無序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻摩?折疊結(jié)構(gòu).隨著濃度的增加,SF分子優(yōu)先通過廣泛的氫鍵形成穩(wěn)定和不可逆的β-折疊結(jié)構(gòu),同時(shí)SF具有溫度誘導(dǎo)相變導(dǎo)致構(gòu)象轉(zhuǎn)變的傾向.這些刺激因素引起構(gòu)象變化可以進(jìn)一步用于催化或信號傳遞、刺激響應(yīng),或與其它材料相互作用,是設(shè)計(jì)新型智能材料的理想成分[20].

圖2 絲素蛋白、角蛋白、膠原蛋白的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[19]

1.2 角蛋白

角蛋白是毛發(fā)、爪子、指甲、蹄、角、鱗、喙和羽毛的主要成分,是一種有效的天然生物材料,具有良好的生物相容性和細(xì)胞相互作用位點(diǎn),廣泛來源于低成本和具有生物降解性的工業(yè)廢料.角蛋白纖維一般由兩個(gè)主要的形態(tài)部分皮質(zhì)層(纖維的內(nèi)部)和角質(zhì)層外層構(gòu)成,進(jìn)一步可以分為兩類:I型(酸性)角蛋白和II型(堿性)角蛋白.如圖2(b)所示,皮層由紡錘形的纖維組成,由一層膜隔開,膜由非角質(zhì)蛋白和脂質(zhì)組成.角質(zhì)層占總重量的10%,起到保護(hù)內(nèi)層和保持水分的作用.α-角蛋白自組裝成長絲狀纖維,可以在不斷裂的情況下得到相當(dāng)大的伸展,使毛發(fā)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、惰性和剛性[21].

角蛋白的-SH和-S-S-可以通過化學(xué)修飾賦予其pH值響應(yīng)性、熱敏性、溶脹性,這些刺激響應(yīng)性不是由靜電斥力/吸引驅(qū)動的,而是起源于多肽構(gòu)象的變化,利用這一特性可以作為傳感器和制動器等智能材料應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[22,23].角蛋白的纖維在被拉伸或暴露在特定刺激下時(shí),結(jié)構(gòu)解卷、鍵重新排列,形成穩(wěn)定的β-折疊,纖維保持在該位置直到外界觸發(fā)以恢復(fù)其原始形狀,依此作為構(gòu)建塊用來設(shè)計(jì)智能材料.利用從α-螺旋到β-折疊的可逆角蛋白自組裝轉(zhuǎn)變過程作為各向異性結(jié)構(gòu)和響應(yīng)性的機(jī)理,可以用來設(shè)計(jì)具有高強(qiáng)度智能形狀記憶材料[24].

1.3 膠原蛋白

膠原蛋白是人體內(nèi)含量最豐富的蛋白質(zhì),具有良好的生物相容性、極低的抗原性、柔韌性和良好的生物降解性[25].如圖2(c)所示,膠原蛋白具有復(fù)雜的層次結(jié)構(gòu):一級結(jié)構(gòu)為氨基酸三聯(lián)體,以富含脯氨酸(Pro)的氨基酸序列Gly-X-Y為特征,每個(gè)氨基酸三聯(lián)體上有一個(gè)甘氨酰(Gly)殘基以及通常分別位于X和Y位的Pro和4-羥基脯氨酸(Hyp);二級結(jié)構(gòu)是由氨基酸三聯(lián)體重復(fù)折疊形成的α鏈;三級結(jié)構(gòu)為原膠原分子,是一個(gè)左手的三螺旋結(jié)構(gòu),通常由三個(gè)鏈組成,分別稱為α1(I)、α1(II)和α2(I),每個(gè)鏈都含有約1 000個(gè)氨基酸;鏈間共價(jià)鍵將原膠原分子連接起來,形成穩(wěn)定的膠原纖維[26].從物理角度看膠原分子可以自組裝成纖維,包括主要存在于端肽中的賴氨酸、羥賴氨酸和醛殘基,形成三股螺旋結(jié)構(gòu),纖維交聯(lián)證細(xì)胞外基質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度和完整性,而纖維直徑的分布以及交聯(lián)度對組織的抗拉強(qiáng)度和彈性有很大的影響[27].因此通過調(diào)整不同的物理參數(shù),包括膠原濃度、pH值、溫度、離子含量、各向異性、等電點(diǎn),都可以改變膠原的凝膠動力學(xué)、硬度和納米纖維結(jié)構(gòu)[28].

膠原基質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的各向異性和排列在很大程度上會影響其機(jī)械性能,I型膠原單體自組裝成纖維狀結(jié)構(gòu),可能會交聯(lián)或纏繞,形成具有不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的粘彈性凝膠.除了在食品、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用外,富含I型膠原的動物組織也是皮革、化妝品和明膠等產(chǎn)品的重要來源[29],明膠是膠原在酸、堿、酶或高溫作用下的變性產(chǎn)物,與膠原一樣由18種氨基酸組成,但已失去了生物活性.通過化學(xué)修飾膠原胺基和羧基結(jié)構(gòu)[30],具有成本低、免疫原性低、通用性強(qiáng)、生物相容性好、與天然細(xì)胞外基質(zhì)相似等優(yōu)點(diǎn),因此在生物醫(yī)藥領(lǐng)域可以用于生產(chǎn)智能藥物緩釋載體、智能柔性傳感器、智能可穿戴電子設(shè)備等.

1.4 彈性蛋白

彈性蛋白是細(xì)胞外基質(zhì)中的一種蛋白質(zhì)成分,廣泛存在于進(jìn)行伸展和回縮的器官中,如大動脈血管、彈性韌帶、軟骨和皮膚等[31].皮膚中存在豐富的彈性蛋白纖維,賦予皮膚彈性和延展性.鎖鏈素和異鎖鏈素是天然彈性蛋白的兩個(gè)主要交聯(lián),每一個(gè)都涉及四個(gè)賴氨酸殘基,這些賴氨酸殘基通過賴氨酰氧化酶交聯(lián)[32].因此彈性纖維的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是通過肽鏈之間的氧化賴氨酰殘基間形成的共價(jià)交聯(lián),增加彈性蛋白纖維的硬度,而交聯(lián)結(jié)構(gòu)一旦形成,在生物環(huán)境下不再逆轉(zhuǎn)[33].

由于存在交聯(lián)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致彈性蛋白的溶解性很差,很難加工成新的生物材料.第一種方法是用熱堿、胍或草酸(產(chǎn)生α-彈性蛋白)和氫氧化鉀的增溶處理可以用來水解從動物組織中收獲的彈性纖維成分,溶解的彈性蛋白保留了彈性蛋白單體的許多物理化學(xué)性質(zhì),包括自組裝的能力,但是缺少完整結(jié)構(gòu)[34].第二種方法是通過優(yōu)化大腸桿菌中重組原彈性蛋白的遺傳密碼子,可以更容易地通過細(xì)菌培養(yǎng)獲得合成出高純度的重組原彈性蛋白.通過合成或重組的方法獲得類彈性蛋白多肽(ELPs),其優(yōu)點(diǎn)除了保留了親本蛋白原有的自組裝特性和熱響應(yīng)性,表現(xiàn)出更好的水溶性.溫度敏感性ELPs是一類由多肽序列組成的重組生物聚合物,這一序列的獨(dú)特之處在于它在臨界溶液溫度以下溶解,超過臨界溫度后會自組裝形成凝膠[35].因此ELPs具有良好的響應(yīng)性和可逆相變能力,是一種很有吸引力的新型生物材料,從水凝膠和支架到纖維和人工組織,在醫(yī)學(xué)和工程領(lǐng)域有著許多“智能聚合物”的應(yīng)用.

2 纖維狀蛋白質(zhì)基智能材料的制備及應(yīng)用

基于纖維狀蛋白質(zhì)組裝體表現(xiàn)出對環(huán)境刺激響應(yīng)的智能行為,近些年通過自下而上的技術(shù)構(gòu)筑多維多樣化的“智能”蛋白質(zhì)功能組裝體成為了研究的熱點(diǎn)[36,37].基于纖維狀蛋白質(zhì)作為基礎(chǔ)材料開發(fā)的對溫度、濕度、pH值、光、電等具有靈敏刺激響應(yīng)性的智能材料如“智能”水凝膠[38]、生物傳感器、智能柔性可穿戴設(shè)備、智能藥物釋放載體、智能3D打印油墨等已經(jīng)獲得了應(yīng)用[39].

2.1 智能水凝膠

水凝膠的結(jié)構(gòu)是以三維聚合物網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),這種網(wǎng)絡(luò)可以在水中吸水膨脹并保持大量水分,同時(shí)保持其結(jié)構(gòu)不被破壞[40].多種天然材料都可以形成無細(xì)胞毒性的聚合物水凝膠.這些天然聚合物可分為蛋白質(zhì)(膠原蛋白、明膠、纖維蛋白、彈性蛋白、角蛋白、絲素蛋白、肌球蛋白等)、多糖(纖維素、直鏈淀粉、海藻酸鹽、殼聚糖等)等[41-43].尤其是蛋白質(zhì)基水凝膠可以模擬人體組織細(xì)胞外基質(zhì)的特征,具有多功能性、生物相容性、適應(yīng)性和對刺激的響應(yīng)性,以及可調(diào)的強(qiáng)度和彈性模量[44].

纖維狀蛋白質(zhì)基水凝膠主要通過物理/非共價(jià)交聯(lián)、化學(xué)/共價(jià)交聯(lián)凝膠法以及酶交聯(lián)方法制備[45].角蛋白在過氧化氫氧化下得到水凝膠,過程中角蛋白的-SH和-S-S-基團(tuán)氧化成-SO3,保持了水凝膠的三維結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)的一級序列[46,47].利用角蛋白水凝膠對介質(zhì)pH值和特定離子的存在表現(xiàn)出可逆的刺激響應(yīng)行為,表明其可以用作智能傳感材料[48],如其對Ca2+、Cu2+表現(xiàn)出膨脹和收縮的可逆刺激響應(yīng)行為.Chen等[49]基于二硫鍵重組,開發(fā)了一種葡萄糖觸發(fā)的原位角蛋白水凝膠.氧化性是由葡萄糖氧化酶(GOD)催化體液中葡萄糖所體現(xiàn)的,水凝膠前體溶液由角蛋白、半胱氨酸和GOD組成,可通過GOD催化體液中葡萄糖的氧化而溫和地生成H2O2(如圖3所示),與傳統(tǒng)的O2氧化法和直接加H2O2法相比,GOD催化氧化法的優(yōu)點(diǎn)是間接和逐步地提供較高的H2O2氧化力,不僅縮短了凝膠的成膠時(shí)間,提高了水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度,而且避免了角蛋白中巰基的過氧化.同時(shí),智能水凝膠可適應(yīng)任何不規(guī)則形狀的傷口且不需要添加交聯(lián)劑或?qū)堑鞍走M(jìn)行化學(xué)修飾,從而使水凝膠具有良好的生物相容性.這種葡萄糖觸發(fā)的原位形成角蛋白水凝膠“智能材料”為創(chuàng)傷愈合治療和組織工程中的其他潛在應(yīng)用提供了一種有效的策略[50-52].

圖3 葡萄糖誘導(dǎo)的原位形成角蛋白水凝膠機(jī)理及合成步驟圖[50]

2.2 智能生物傳感器材料

傳感器作為當(dāng)下一個(gè)重要的發(fā)展領(lǐng)域,蛋白質(zhì)基生物傳感器在臨床檢測或家庭護(hù)理點(diǎn)監(jiān)測中體現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力,一般來說,生物傳感器的設(shè)置主要有三個(gè)部分,即目標(biāo)識別、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和響應(yīng)輸出[53-55].具有不同活性官能團(tuán)、大比表面積和特定識別系統(tǒng)的蛋白質(zhì),它們通?？梢詽M足生物傳感器的兩個(gè)基本要求,即選擇性和靈敏度.

基于可再生、生物友好的天然蛋白質(zhì)材料設(shè)計(jì)能夠與生物組織具有相容性、可持續(xù)、高性能生物傳感器的發(fā)展至關(guān)重要[56].利用SF的多功能性,Liu等[57]設(shè)計(jì)了一種具有協(xié)同優(yōu)異、機(jī)械/熱雙重敏感性、生物安全性、耐久性、耐極端溫度和抗菌性能的SF智能水凝膠傳感器.SF在高濃度LiBr溶液中預(yù)先溶解,通過SF與環(huán)氧交聯(lián)劑的開環(huán)反應(yīng),化學(xué)交聯(lián)合成了含有導(dǎo)電聚合物聚(3,4-亞乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT∶PSS)的水凝膠(SF-LiBr),賦予其導(dǎo)電性和熱響應(yīng)性,然后依次浸泡在水和單寧酸(TA)甘油/水二元溶劑,TA能與水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的極性基團(tuán)形成強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合鍵,促進(jìn)了TA在水凝膠中的自由擴(kuò)散,從而獲得具有極強(qiáng)韌性、極端耐溫性、耐濕性和抗菌等性能的絲素蛋白/單寧酸/甘油/水(ST-GW)水凝膠傳感器,可用于監(jiān)測大型或細(xì)微的人體運(yùn)動,而且在-40 ℃到60 ℃范圍內(nèi)表現(xiàn)出顯著的壓敏性和電子耐用性,傳感器能夠響應(yīng)從20 ℃到60 ℃的外部溫度變化,具有更好的溫度靈敏度和高分辨率(<1 ℃)的溫度分辨率(如圖4所示),其多功能性有望應(yīng)用于電子皮膚、人工智能和人機(jī)界面領(lǐng)等領(lǐng)域.

不同的功能材料可以摻雜或修飾到蛋白質(zhì)表面作為信號產(chǎn)生或放大的探針,從而提高傳感器的靈敏度[58,59].以含鉻廢革中的膠原(CA)為基材,Wang等[60]以聚苯胺(PANI)酸化多壁碳納米管(H-MWNTs)作為導(dǎo)電材料(P-M)摻雜在不同的CA層中,設(shè)計(jì)了多功能膠原骨料的多層三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)柔性傳感器.其基底層具有提供交叉電極和濕度傳感的功能,壓電層內(nèi)的多層三維網(wǎng)絡(luò)提供了極高的壓電傳感能力(如圖5所示).具有靈敏度高、檢測范圍大(28～100 KPa)、響應(yīng)時(shí)間短(110 ms)等多功能優(yōu)點(diǎn),可同時(shí)檢測壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)變,同時(shí)由于CA具備獨(dú)特的柔軟性,使得所制備的傳感器呈現(xiàn)出傳統(tǒng)傳感器所不具備的舒適度、可降解性和耐久性等多個(gè)優(yōu)點(diǎn),在實(shí)時(shí)健康監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)、智能機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[61,62].

圖5 膠原的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

2.3 智能3D打印油墨

3D打印是一種變革性的制造策略,允許快速成型、定制和靈活處理結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系[63].3D打印的關(guān)鍵部件是打印油墨,其特性和功能在很大程度上取決于油墨的理化、流變和材料等特性,而生物油墨由于其優(yōu)異的生物相容性、可設(shè)計(jì)性等具有廣泛研究價(jià)值[64,65].常見纖維蛋白的復(fù)合功能化材料可以最大限度地減少免疫反應(yīng),促進(jìn)與宿主的整合,并隨著時(shí)間的推移完全降解,產(chǎn)生多肽和氨基酸作為細(xì)胞的營養(yǎng)物質(zhì),如膠原蛋白、絲素、纖維蛋白原、角蛋白等利用其具有熱敏性、光敏性等對環(huán)境刺激做出響應(yīng)的性能,作為“智能”生物油墨已經(jīng)被使用到許多3D打印結(jié)構(gòu)中[66].

從液體到固體的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變,通常與蛋白質(zhì)分子的交聯(lián)有關(guān),各種交聯(lián)機(jī)制已被用于制備蛋白質(zhì)基可打印油墨,并用于增強(qiáng)可印刷性,其機(jī)理包括通過弱鍵進(jìn)行分子自組裝和通過共價(jià)鍵進(jìn)行化學(xué)交聯(lián),通常使用多種交聯(lián)機(jī)制來增強(qiáng)印刷性和強(qiáng)度[67-70].前者的特點(diǎn)是形成弱的鏈間和鏈內(nèi)相互作用,可以通過除水、加熱、超聲、pH值和鹽來實(shí)現(xiàn),在沒有化學(xué)試劑或副產(chǎn)品的情況下自組裝.例如:溫度敏感性類彈性蛋白(ELPs)其獨(dú)特之處在于在臨界溶液溫度以下溶解而在超過臨界溫度后會自組裝形成凝膠,這種熱響應(yīng)性可以用于自組裝3D打印生物油墨[71].利用ELRs與氧化石墨烯(GO)共組裝的無序到有序轉(zhuǎn)變,設(shè)計(jì)具有自組裝生物油墨[72],ELRs-GO生物油墨可以制作單個(gè)管狀結(jié)構(gòu),具有層次化的組織結(jié)構(gòu),分辨率可達(dá)約10 μm,壁厚約為2 μm,這些結(jié)構(gòu)可以在組裝后立即灌注,并表現(xiàn)出類似生理結(jié)構(gòu)的物理特性(如圖6所示).生物油墨可以通過調(diào)節(jié)GO的濃度來實(shí)現(xiàn)印刷保真度、結(jié)構(gòu)孔隙度和滲透率的控制,具有生物相容性,有助于人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(HUVEC)的生物打印、生長和正常功能.3D打印過程逐漸形成了不同結(jié)構(gòu)和滲透性的管壁,說明了通過超分子制造的ELRs-GO智能生物油墨能夠?qū)崿F(xiàn)這種仿生結(jié)構(gòu)[73,74].

丙烯酸酯基團(tuán)的自由基光聚合由于反應(yīng)效率高而被廣泛應(yīng)用于基于蛋白質(zhì)的油墨的3D打印,天然蛋白質(zhì)中不存在丙烯酸酯基團(tuán),因此需要化學(xué)改性,如明膠進(jìn)行化學(xué)處理可以引入(甲基)丙烯?；?在光照射下甲基丙烯酰基以鏈增長的方式相互聚合,同時(shí)添加交聯(lián)劑可以更好的控制蛋白質(zhì)的光聚合分子網(wǎng)絡(luò)[75-77].Donghyeok等[78]提出了一種不需要模具,采用數(shù)字光處理(DLP)3D打印技術(shù),在低濃度的水溶液中直接構(gòu)建3D結(jié)構(gòu),得到DLP打印SF的“蛋白質(zhì)微針”.另外,硫醇-烯光聚合反應(yīng),該反應(yīng)機(jī)理偶聯(lián)C=C雙鍵/烯和巰基-硫醇基團(tuán)兩個(gè)互補(bǔ)基團(tuán),屬于點(diǎn)擊化學(xué),具有快速、高效的特點(diǎn).利用這些優(yōu)點(diǎn)可以減少光引發(fā)劑濃度和光照時(shí)間,有利于細(xì)胞相容性、形成均勻的聚合物網(wǎng)絡(luò)及更好的保真度,因此,硫醇-烯反應(yīng)對于某些側(cè)鏈富含半胱氨酸和硫醇的纖維狀蛋白質(zhì)是有利的[79].

圖6 ELRs-GO 3D打印生物墨水組裝原理和結(jié)構(gòu)示意圖[72]

2.4 智能柔性可穿戴材料

柔性材料具有可變形、可伸縮、重量輕等優(yōu)點(diǎn),是作為個(gè)人“智能防護(hù)設(shè)備”(PPE)的理想材料,也是可穿戴系統(tǒng)中的主要功能部件[80].利用一些纖維狀蛋白質(zhì)對壓力、溫度或濕度的響應(yīng)性及優(yōu)異的生物相容性作為“智能”柔性可穿戴材料(如電子皮膚、致動器),可自發(fā)地將環(huán)境刺激(pH值、溫度、光、濕度和壓力等)轉(zhuǎn)換成實(shí)時(shí)和可視化的電子脈沖實(shí)現(xiàn)對于刺激作用的預(yù)警及檢測,提高防護(hù)能力及減少意外傷害[81,82].設(shè)計(jì)智能可穿戴材料時(shí),其延展性、超薄性、輕量化以及快速響應(yīng)性是健康監(jiān)測平臺的基本要求,方便從可穿戴的帶子、護(hù)墊、腕帶或皮膚獲取生理信息[83].

SF具有良好的生物相容性和降解速率,是一種理想的柔性材料,Gong等[84]開發(fā)了一種高透明度、生物相容性、完全可降解和柔性納米發(fā)電機(jī)(TENG)可以作為智能自供電柔性可穿戴設(shè)備.通過摻雜甘油和聚氨酯(PU)對SF進(jìn)行功能化處理,顯著增強(qiáng)絲蛋白膜的機(jī)械柔韌性(應(yīng)變ε=520%),然后在絲膜上構(gòu)建中空銀納米纖維,形成一層透氣、可拉伸、生物相容性和可降解的摩擦電極,以驅(qū)動可穿戴電子設(shè)備,如作為人造電子皮膚進(jìn)行觸摸/壓力感知及無線網(wǎng)絡(luò)開關(guān)制動器.

柔性智能響應(yīng)蛋白質(zhì)基功能材料作為可穿戴設(shè)備中的組件已被廣泛研究,Yue等[85]基于蜘蛛網(wǎng)和螞蟻觸角構(gòu)建了一種具有多層納米結(jié)構(gòu)的仿生多功能電子皮膚,它可以通過摩擦納米發(fā)電機(jī)收集生物能量,同時(shí)可智能檢測濕度、溫度和壓力變化.由于聚乙烯醇/聚偏氟乙烯納米纖維的蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)、及內(nèi)部珠鏈結(jié)構(gòu)和膠原納米纖維聚集體的正摩擦材料(如圖7所示),其具有高的壓力靈敏度(0.48 V·kPa-1)和高檢測范圍(0～135 kPa),模仿螞蟻觸角的納米纖維為電子皮膚提供了較短的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間(分別為16 s和25 s),以適應(yīng)較寬的濕度范圍(25%～85% RH),天然膠原納米纖維聚集體確保了電子皮膚的生物降解性、生物兼容性和透氣性,在人機(jī)界面和人工智能中顯示出巨大的實(shí)用性前景[86].

可穿戴傳感技術(shù)的迅速發(fā)展為人工智能提供了前所未有的機(jī)遇,建立了物理世界和虛擬世界之間的交互界面.基于多功能可穿戴傳感SF摩擦納米發(fā)電機(jī),可提供體系需要的能量,同時(shí)可精確地檢測環(huán)境濕度和人體運(yùn)動的成分,能夠區(qū)分空氣中水分子的存在狀態(tài),可以監(jiān)測人體呼吸狀態(tài)[87].

圖7 電子皮膚設(shè)備的結(jié)構(gòu)、組成、生物相容性和透氣性[85]

2.5 智能藥物釋放載體

納米技術(shù)已被應(yīng)用于制藥領(lǐng)域,用于輸送具有治療各種疾病的活性藥物成分,納米粒子(NPs)作為藥物釋放載體的核心目標(biāo)是將所需劑量的藥物輸送到所需的作用部位(例如:腫瘤)用于應(yīng)對疾病的診斷和治療[88].而蛋白質(zhì)納米粒子不會造成細(xì)胞毒性,并且可以通過表面功能化來改變它們的停留時(shí)間和靶標(biāo)特異性,同時(shí)降低免疫反應(yīng)的幅度,提高被細(xì)胞充分吸收的程度.目前,將具有pH值響應(yīng)、溫度響應(yīng)、光響應(yīng)等性能蛋白質(zhì)作為智能藥物釋放載體用于藥物輸送系統(tǒng)已有廣泛研究[89-91].例如:由于pH值在不同器官和癌細(xì)胞會有變化,pH值觸發(fā)智能觸發(fā)藥物載體釋放的重要性越來越大,利用這一特殊特征設(shè)計(jì)具有pH值依賴性的聚合物載體,使藥物分子更精確地釋放到目標(biāo)位置[92].膠原/明膠納米粒子、SF納米粒子、彈性蛋白納米粒子、角蛋白納米粒子、酪蛋白納米粒及蛋白質(zhì)修飾納米粒子廣泛用于研究藥物載體,具有可生物降解的、可代謝的、非抗原性的特征[93,94].

膠原/明膠納米顆粒含有氨基酸的胺基和羥基 使得易于官能化,在不同pH值下膠原/明膠納米顆粒對pH值具有響應(yīng)性,如在中性和堿性pH值下明膠納米顆粒具有更大的溶脹能力,從而在藥物輸送中包裹有無機(jī)藥物的明膠納米顆粒具有不同pH值下的釋放曲線,可用于某些疾病的治療[95-97].例如:在表面包覆了白細(xì)胞介素-17(IL-17)適配子的氧化鈰納米顆粒被負(fù)載到明膠水凝膠中,可用于治療炎癥相關(guān)的腦損傷[71].溫敏性ELPs的自組裝特性和熱響應(yīng)性已被有效地用于輸送治療劑,表現(xiàn)出更好的水溶性.例如:ELP-連接藥物和ELP-納米粒結(jié)合物都已被開發(fā)用于治療部分的溫度響應(yīng)性和緩釋,可用于延長藥物釋放時(shí)間.ELPs在特定的轉(zhuǎn)變溫度以上可形成水凝膠狀聚集體,并控制藥物釋放的時(shí)間[98].角蛋白不易被酸消化,同時(shí)具有低免疫原性、pH值響應(yīng)性和生物相容性,從而可以作為藥物載體受到廣泛研究.Liu等[99]在其一項(xiàng)研究中,通過將阿霉(DOX)pH值敏感性的腙鍵連接到角蛋白納米顆粒上,然后通過去溶劑化方法制備成顆粒狀智能藥物載體(如圖8所示).角蛋白中的羧酸基團(tuán)使角蛋白-藥物結(jié)合物表面帶負(fù)電荷,降低了免疫識別和免疫應(yīng)答,在酸性腫瘤微環(huán)境中,由于質(zhì)子化,負(fù)電荷丟失,因此,納米粒子的電荷反轉(zhuǎn)為表面正電荷,這促進(jìn)了細(xì)胞內(nèi)化,導(dǎo)致藥物更快的釋放,以使得A549肺癌細(xì)胞活力的更快降低,是一種理想的智能藥物釋放載體[100,101].

蛋白質(zhì)的兩親性使它們能夠高效地負(fù)載疏水和親水分子,蛋白質(zhì)納米粒子的官能化能力可以用不同的功能部分來化學(xué)修飾粒子的表面[102-104],從而賦予了額外的特性,如靶標(biāo)特異性、隱形特性、可視化能力、刺激響應(yīng)性、膠體穩(wěn)定性以及長循環(huán)時(shí)間,同樣可以方便進(jìn)行表面調(diào)節(jié)和藥物與配體的共價(jià)連接[105-107].從蛋白質(zhì)的組裝體的設(shè)計(jì)和生物材料的觀點(diǎn)來看,基于蛋白質(zhì)的納米顆粒為表面修飾和共價(jià)藥物結(jié)合作為智能藥物載體具有優(yōu)異的研究前景.

圖8 角蛋白腙鍵偶聯(lián) DOX 納米粒子制備示意圖[100]

3 結(jié)論及展望

基于蛋白質(zhì)功能材料表現(xiàn)出對外界刺激(pH值、溫度、濕度、光等)的“智能”行為,從而使它們在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用變得越來越普遍,目前成為了研究的熱點(diǎn).本文論述了纖維狀蛋白質(zhì)在智能材料中的研究現(xiàn)狀,介紹了絲素蛋白、角蛋白、膠原和彈性蛋白等常見纖維狀蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和智能響應(yīng)的性能,分析了具有pH值響應(yīng)、溫敏性、光敏性、構(gòu)象變化響應(yīng)及濕敏性的纖維狀蛋白質(zhì)作為智能材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)原理,總結(jié)了其在智能水凝膠、智能生物傳感器、智能3D打印油墨及智能柔性可穿戴材料方面的研究進(jìn)展.與一些合成聚合物相比,纖維狀蛋白質(zhì)基功能材料結(jié)構(gòu)中具有特異性、生物相容性、可降解性以及構(gòu)象折疊/展開可相互轉(zhuǎn)變的特點(diǎn),使其在構(gòu)筑具有多功能性、強(qiáng)適應(yīng)性、靈敏刺激響應(yīng)性及強(qiáng)度和彈性模量的可調(diào)控性智能材料方面具有不可替代的優(yōu)勢.

智能蛋白質(zhì)功能材料的發(fā)展和應(yīng)用依賴于蛋白質(zhì)自身的結(jié)構(gòu)、性能及其獲取方式,決定于蛋白質(zhì)功能材料的制備方法及其應(yīng)用領(lǐng)域的對于蛋白質(zhì)功能材料的性能要求.雖然基于特定需求開發(fā)出了許多具有智能行為的蛋白質(zhì)功能材料,擴(kuò)寬了在智能水凝膠、電子皮膚、3D打印油墨、機(jī)器人等先進(jìn)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍,啟發(fā)了如何實(shí)現(xiàn)從基本概念到多功能蛋白質(zhì)材料的智能制造,但是這些材料大多還處于研究階段,存在尚未投入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中的巨大挑戰(zhàn),因此可以考慮從生物學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、材料學(xué)等不同角度入手展開研究,充分借鑒納米生物技術(shù),通過自下而上的方法或通過結(jié)合物理方法來構(gòu)筑多維多樣化的“智能”蛋白質(zhì)功能組裝體.例如:基于蛋白纖維智能柔性可穿戴材料,用于提醒佩戴者即將出現(xiàn)的身體健康緊急情況或作為智能機(jī)器人的電子皮膚感知外界刺激.將具有適當(dāng)智能響應(yīng)性的蛋白質(zhì)材料與合適的制備方法相結(jié)合才能夠制備獲得具有智能行為的蛋白質(zhì)功能材料,另外由于蛋白質(zhì)基材料具備綠色、可持續(xù)、可生物降解和生物兼容等特點(diǎn),也為其在人工智能、生物醫(yī)學(xué)、能源環(huán)境、生物傳感等領(lǐng)域的發(fā)展開拓了新思路.