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北航高龍成課題組 JACS：超靈敏的仿生機械力響應的氯離子通道

2023-08-23 來源：高分子科技

機械力敏感離子通道（MS channel）在諸多生命活動如觸覺、運動感知、聽覺、滲透壓調節等方面起著至關重要的作用。Ardem Patapoutian因揭示了MS channel工作機制分享了2021年的諾貝爾生理學或醫學獎。當外力作用于細胞膜時，膜的張力變化引起通道蛋白開口變大，從而引起電流的顯著增大。研究發現，對小鼠壓力蛋白施加26 mbar的壓力可產生5 pA的響應電流（A. Patapoutian, et al. Nature 2012, 483, 176）。受生物通道結構和工作機制啟發，人工構建仿生機械力敏感離子通道可以加深對生命活動的理解，有助于開發新型智能材料。目前，在仿生機械力敏感離子通道人工制備方面，大部分材料屬于剛性材質，形變能力有限，需要施加較大作用力才能引起微弱的電化學信號響應，尚未有低模量、高形變并超靈敏仿生離子通道的報道。

為了解決這一難題，高龍成課題組在前期仿生離子通道陣列膜的基礎之上（Sci. Adv. 2021, 7, eabg2183；J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 9472），開發了一種彈性離子通道薄膜，在壓力或拉伸作用下發生彈性形變，引起離子流的突變。在0.2 mbar作用力下產生了2 μA的響應電流，極大提高了人工MS 通道的靈敏度（圖1）。該工作以“Ultra-Mechanosensitive Chloride Ion Transport Through Bioinspired High-Density Elastomeric Nanochannels”為題發表在《Journal of the American Chemical Society》上。

圖1. 高密度機械響應的氯離子通道膜的響應機制

具體研究思路是：利用含彈性段和離子段的嵌段共聚物——聚異戊二烯-b-聚4-乙烯吡啶（PI-b-P4VP）自組裝形成高密度離子傳輸通道膜。其中，PI段作為連續相，發揮力學傳導作用；P4VP段形成跨膜通道，發揮了氯離子選擇性傳輸的作用。因PI連續相的模量很小，在小外力下產生大形變，無論施加壓力還是拉力，均會引起明顯的膜形變，隨之傳導到P4VP通道上，引起通道的形變，繼而引起電化學信號的變化（圖2所示）。同時，離子通道具有高密度的特點（面密度高達10¹⁰ cm^-2），對響應電流有放大效應。相比其他人工MS channel來說，本工作特色在于首次復現了天然MS channel的力學響應過程：外力刺激引起膜張力變化，誘發離子通道的變形，繼而引起電流信號的突變。仿生薄膜不僅具有優異的氯離子選擇性，而且能夠在更小的外力刺激下產生更大的響應電流。本工作的開展將為理解、研究生物MS channel提供理想模型，同時為智能納米離子器件的設計提供了靈感。

圖2. 機械力響應的氯離子通道在壓力和拉力下的電化學響應信號

北京航空航天大學化學學院博士生李超、劉鵬祥為第一作者，高龍成為通訊作者，北京航空航天大學化學學院為第一單位。

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c07675

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（責任編輯：xu）

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