響應型形變材料在微流體開關，人工肌肉以及軟體機器人等領域具有廣泛應用。動態水凝膠因其對不同物理和化學刺激的響應，在構建形變材料領域有獨特優勢。雖然高分子水凝膠在形狀記憶及形變材料領域已有顯著進展，但是構建基于蛋白質的形狀記憶和形變材料仍然是一個挑戰。通過利用不同蛋白質的折疊及解折疊過程對于水凝膠的溶脹性能和楊氏模量的動態影響，加拿大不列顛哥倫比亞大學李宏斌教授研究團隊提出并構建了具有形變性能的雙層結構蛋白質水凝膠，并實現了由一維到二維和二維到三維的復雜水凝膠材料形狀變化。
研究者采用兩種球型蛋白質GB1和FL為基元的多聚蛋白(GB1)8和(FL)8來分別構建水凝膠的雙層結構。這兩種蛋白熱力學穩定性不同，因此在相同濃度的蛋白變性劑鹽酸胍中具有不同的解折疊程度。因此這兩種蛋白質的水凝膠在相同濃度的鹽酸胍中呈現不同的溶脹度，而且該差異會隨著鹽酸胍濃度的變化而改變。基于這種層間溶脹差異性， (GB1)8/(FL)8 雙層水凝膠在PBS溶液中會向(FL)8 層彎曲。而隨著鹽酸胍濃度的升高，(GB1)8/(FL)8 雙層水凝膠呈現出先變直再反向彎曲的動態形狀變化。這種雙向動態形狀變化高度可逆，并且可借由改變水凝膠層的厚度、厚度比例以及蛋白質濃度來調整形變程度。
圖一：a) 脫模之后的(GB1)8/(FL)8 雙層水凝膠呈現直立形態。b) (GB1)8/(FL)8 雙層水凝膠在不同鹽酸胍濃度下呈現動態形狀變化。c) (GB1)8/(FL)8雙層水凝膠在不同鹽酸胍濃度下的彎曲角度變化。d) (GB1)8/(FL)8雙層水凝膠的形態變化具有高度可逆性。e) 水凝膠層厚度比例對于(GB1)8/(FL)8 雙層水凝膠在PBS 中彎曲角度的影響。f) (FL)8層蛋白質濃度對于(GB1)8/(FL)8 雙層水凝膠在PBS中彎曲角度的影響。
通過先將蛋白質變性再交聯的方式來制作(FL)8水凝膠層（DC-FL)8），研究者進一步擴大 了兩層蛋白質水凝膠之間的溶脹及機械性能差異，從而進一步提高了雙層水凝膠的形變程度。在此基礎上，研究者將(GB1)8/DC-(FL)8 雙層水凝膠作為“合頁” 鑲嵌入均質水凝膠中， 并通過設計和改變雙層“合頁”的位置和寬度，實現了由線條到三角形、正方形以及菱形的膠體形狀轉變。此外，借助雙層水凝膠“合頁”的強帶動力，二維平面水凝膠可以折疊成三維立體方塊結構，預示出實現更復雜的立體水凝膠結構的可能性。
圖二：a) (GB1)8/DC-(FL)8雙層水凝膠在不同鹽酸胍濃度下呈現動態形狀變化。b) 以(GB1)8/DC-(FL)8雙層水凝膠為“合頁”來實現水凝膠的折疊形態變化。c) 折疊角度與“合頁”寬度之間呈現線性關系。d) 同過控制(GB1)8/DC-(FL)8雙層水凝膠“合頁”寬度和位置設計，實現條狀水凝膠由一維到二維的形狀改變。e) 借助雙層水凝膠“合頁”的強帶動力，二維平面水凝膠可以折疊成三維立體方塊結構。
本研究證實了蛋白質折疊和解折疊可被作為一種通用方法來構建蛋白質形變材料。由于球型蛋白質折疊和解折疊的普遍性和對于不同刺激的廣泛響應性，利用由此產生的水凝膠溶脹及機械性能差異和雙層結構的構建，將使球型蛋白質水凝膠在形狀記憶及形變材料領域實現新的突破和應用。該工作以Engineering shape memory and morphing protein
hydrogels based on protein unfolding and folding”為題發表在Nature Communications ( Nat Commun 13, 137 (2022). 文章第一作者為博士生邊清源。該研究得到加拿大國家自然科學與工程研究委員會的資助。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27744-0
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