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Nature Communications|利用β-折叠组装高性能聚合物网络2021-09-20

今天为大家推送的文献是发表于Nature Communications的一篇文章,标题为“Spider-silk inspired polymeric networks by harnessing the mechanical potential of β-sheets through network guided assembly”。本文的通讯作者是澳大利亚墨尔本大学的Greg G. Qiao教授。

多肽是许多天然材料的基本组成部分之一。其具有的形成特定二级结构(例如α-螺旋,β-折叠)并对环境进行响应的能力使材料具有独特的性质。蜘蛛丝作为一种基于天然多肽的材料,具有与高强度钢相当的高抗张强度。这一优异性能可归因于蜘蛛丝内部氨基酸的空间排布,即疏水的丙氨酸残基间氢键形成高阶β-折叠结构,与其四周非晶态的富含甘氨酸区域。独特的成分与空间排布方式赋予蛛丝极高的韧性,也引起研究者对含β-折叠的类蛛丝材料的广泛兴趣。

目前而言,合成类β-折叠肽的工作仍存在挑战。N-羧基内酸酐(NCA)开环聚合能够以较低成本得到大量长链聚合物,但传统的合成方法难以控制疏水缔合的组装过程,往往会导致不受控的组装或形成聚集体。引入较高比例的亲水残基能够改善组装过程,但又会限制其机械性能。而本工作中,作者受到天然蛛丝的启发,提出了一种创建局部β-折叠结构域的新方法。该方法通过Grafting-from策略,在无定形的三维亲水网络中引入聚缬氨酸、与缬氨酸和甘氨酸的混聚物,于空间中可控范围中形成β-折叠纳米结晶。

设计中,本文首先通过侧链含有游离胺基的丙烯酸酯类单体的自由基聚合形成聚合物网络,再以上述胺基引发NCA的开环聚合。为了和蛛丝结构相一致,胺基以随机形式排列于以聚乙二醇间隔基隔开的主链中。不同的NCA聚合得到的聚合物的二级结构存在区别。缬氨酸能够形成刚性结晶的β-折叠结构域,而甘氨酸则会阻滞β-折叠的形成。因此本文中,作者分布引入L-缬氨酸NCA(Val NCA)、和Val NCA与甘氨酸NCA(Gly NCA)参与聚合,从而形成结晶和无定型的β-折叠区域(图1)。进一步表征中,随着引入聚缬氨酸的聚合度的增加,网络溶胀能力与孔隙率下降。该结果与β-折叠的引入一致。

图1. 本文的凝胶设计和形貌

作者通过扫描电子显微镜(SEM)进行了水凝胶和冰凝胶的形态学分析。β-折叠的低水平引入能够观察到聚集体的产生,形貌较为粗糙。而随着β-折叠的含量增加,聚集体最终形成连续网络。此外,加入甘氨酸会减少β-折叠的聚集,并出现无定形区域导致的球形突起(图2)。该结果同样以硫黄素T(ThT)结合测定予以证实。

图2. 本文凝胶的形貌

该凝胶体现出卓越的机械性能。单轴压缩测试表明,随着β-折叠含量的增加,凝胶硬度增强,其杨氏模量增加了三个数量级(图3)。这一结果可归因于结晶β-折叠聚集体的产生,进而提供与双网络凝胶类似的效应。而甘氨酸的引入能够破坏一部分β-折叠纳米晶体,降低材料的脆性的同时尽量维持其强度,使得凝胶具有较好的完整性。冰凝胶同样体现出优异的机械性能。上述结果表明,凝胶刚度的显著增强效应受到刚性的β-折叠组装驱动。

图3. 本文凝胶的机械性能测试

除了结构的刚度和完整性的提高外,β-折叠引入赋予网络更强的热稳定性。其中,焓驱动的氢键与Val侧链的异丙基间熵驱动的疏水效应相结合,有助于材料耐受热处理。热重分析(TGA)证明了上述结果。此外,该凝胶同样对极端pH条件与传统的蛋白变性剂有额外的抗性,并可用于3D打印。

综上,作者通过将β-折叠纳米晶体引入软性聚合物网络,在空间上控制β-折叠区域的生长,从而通过控制纳米晶体的结构提高凝胶性能。得到的凝胶具有优异的抗压强度和可压缩性能,并易于调节。该方法为制备含β-折叠的混合网络提供了强大的工具,并可进一步用于生物医学和材料学应用。

作者:ZZC 审校:LXY

DOI: 10.1038/s41467-020-15312-x

Link: https://www.nature.com/articles/s41467-020-15312-x#Sec26