撰稿|由课题组供稿
近日，南京大学现代工程与应用科学学院王瑜副教授/陆延青教授与美国塔夫茨大学David L. Kaplan团队合作在Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 上发表了题为“Silk-protein-based gradient hydrogels with multimode reprogrammable shape changes for biointegrated devices”的研究。该研究基于蛋白质在电场刺激下的运动迁移策略，研发出一种具有梯度网络结构的蚕丝蛋白水凝胶。该蚕丝蛋白水凝胶能够在外加电场的刺激下实现多种可逆重编程或永久固定的可控形变，并在体内可植入柔性器件上展现出应用前景。
刺激响应性水凝胶具有优异的机械性能、自适应性以及易于功能化的特性，已成为开发智能驱动系统的“明星”材料。研究学者们致力于发展各种先进技术，以实现二维平面向三维构型的“按需”转换。通过光刻、模塑、3D/4D打印和电沉积等先进技术调控水凝胶内部各向异性，或通过在均匀水凝胶基质中引入“活性”组分，可实现对外界刺激的响应。这些策略在实现可控、可逆可编程和多模态变形功能方面取得了很大的进展。然而，上述水凝胶体系主要由合成高分子构建，通常涉及复杂的分子设计和繁琐耗能的合成过程。同时，随着水凝胶驱动系统在生物医学领域应用的不断发展与突破，对所使用的刺激响应材料提出了全新的要求：即需要可再生且与人体兼容。因此，采用生物相容性优异的构建单元，进行简单高效的加工技术，构建具有多模态、可编程、自适应的三维变形以及多功能的智能水凝胶致动器具有迫切需求。
具有生物相容性，且能够在外界环境刺激下实现程序性可控形变的水凝胶材料在组织工程等生物医学领域展现出广泛的应用前景。然而，传统的可形变水凝胶系统通常会依赖于复杂的结构设计和反应体系，往往会涉及存在一定的生物毒性、加工手段繁琐、高能耗的制备过程。基于上述问题，本工作以具有优异环境友好型和生物相容性的天然蚕丝蛋白为材料并利用其带负电荷的特性，在简单的电场刺激下促使蚕丝蛋白交联网络内部形成pH梯度，并诱导交联网络向正极（等电点平面）迁移，由此构建了一种具有梯度网络结构的可形变蚕丝蛋白水凝胶系统，并结合分子动力学模拟对电场刺激下的蛋白运动过程进行了进一步的模拟验证（图1）。
图1：（A）具有梯度网络结构的可形变水凝胶的形成示意图。(B、C）蚕丝蛋白所含的带电的氨基酸及其相应含量。(D) 在pH 梯度存在的情况下，电场诱导丝蛋白网络迁移的示意图。(E) 在电场作用下，丝蛋白网络在正极附近逐渐聚集的照片。 (F) 通过在蚕丝水凝胶中掺入甲基红指示剂染料，展示水凝胶内部 pH 值的变化。(G) 分子动力学模拟蚕丝蛋白在外加电场中迁移过程图。
由辣根过氧化物酶交联法制备的蚕丝蛋白水凝胶在外界电场的刺激下即可形成具有梯度交联网络结构的水凝胶材料，该梯度结构经SEM、micro-CT、FTIR、流变以及光透过率手段被进一步表征证明 （图2）。
图2：具有梯度网络结构的蚕丝水凝胶的SEM（A）、Micro-CT (B)、FTIR（C）、流变（D）、光透射率（E）及带有蝴蝶图案表明蚕丝蛋白在外加电场中迁移聚集的照片（F）。
图3：具有梯度网络结构的条形（A）及圆形（B）水凝胶的形变曲率以及具有复杂几何图形的蚕丝蛋白水凝胶在不同的外界电场分布下的形变后照片及相应的有限元模拟结果(C-G)。
在外加电场的刺激下，蚕丝蛋白水凝胶内部的梯度分布使其处于力学非稳定状态，从而可通过改变水凝胶的几何图案、电场分布、电场强度等因素对水凝胶的三维构型进行可控调控（图3）。通过对形变后的水凝胶的化学结构进行表征，发现在电场的刺激下，正极附近的蛋白质网络聚集不会引起蛋白质构象改变。这一特性意味着水凝胶的三维构型转变是一种可逆过程，即可以将变形后的水凝胶浸泡在水溶液中使其网络梯度结构消失。并针对不同的平面剪纸图案设计，改变电场分布，实现了梯度水凝胶的多种可逆三维结构转变及其携带信息的概念性演示。同时，利用乙醇对形变后的水凝胶进行处理，可诱导水凝胶的构象转变，从而实现了蚕丝蛋白梯度水凝胶形变结构的永久固定。进一步结合有限元模拟对该方法的有效性和可控性进行了验证（图4）。
图4：(A) 蚕丝蛋白梯度水凝胶的可逆形变和乙醇诱导的永久形变示意图。(B) 通过调控电场方向引发的水凝胶内部梯度结构变化的照片。 (C、D）蚕丝蛋白梯度水凝胶的可逆重编程形变设计图及演示照片。通过有限元模拟验证水凝胶的形变。(E-G) 经过乙醇处理后，蚕丝蛋白梯度水凝胶的傅立叶变换红外光谱、照片及形变曲率变化。
本研究进一步表明，柔性可形变蚕丝蛋白梯度水凝胶能够与具有不同三维几何形状、硬度和质地的生物组织之间形成非粘性的随形附着，并能够在水中保持形变结构的稳定。同时，该蚕丝蛋白水凝胶表现出良好的体内生物相容性和可降解性。通过将蚕丝蛋白水凝胶与柔性多层碳纳米管组装，得到一种具有双层结构的导电器件，其中碳纳米管层可作为电极，在外加电场的作用下，诱导双层器件发生可控形变。并利用此双层器件对兔子的坐骨神经进行局部低压电刺激测试，证明了由于其能紧密且稳定的与神经缠绕，从而有效地刺激兔子肌肉收缩（图5）。
图 5. (A) 不同几何形状的梯度蚕丝蛋白水凝胶和在空气中和水中分别与假眼球、兔子心脏和兔子股骨的附着照片。(B、C）蚕丝蛋白水凝胶的生物相容性结果。 (D-H) 蚕丝蛋白水凝胶与柔性多层碳纳米管组装用于兔子坐骨神经刺激的数据结果。
综上所述，该研究工作充分利用蚕丝蛋白带负电的特性，通过调控电场分布以及丝蛋白的构象转变成功制备可实现可逆/永久变形的蚕丝蛋白梯度水凝胶。将其良好的机械性能、优异的生物安全性以及按需可控变形相结合，实现了与生物组织的“个性化”共形接触，为用于生物医学领域的多功能和自适应生物集成设备的发展提供了全新的思路。同时，该水凝胶具有出色的易功能化特性，可与柔性碳纳米管等电极材料集成制备电刺激器件，用作生物体内的神经电刺激，有望作为植入式医疗设备，用于组织再生等医学领域。
南京大学现代工程与应用科学学院王瑜副教授、陆延青教授与美国塔夫茨大学David L. Kaplan为论文通讯作者，南京大学是该论文的第一完成单位。研究工作受到科技部重点研发计划（No.2021YFA1202000）、国家自然科学基金（No. 62175102, No. 52103084）、江苏省自然科学基金（No. BK20212004）和“双创“团队（No. JSSCTD202138）等基金的支持。
文章链接：
http://doi.org/10.1073/pnas.2305704120
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