科研进展|物质学院凌盛杰课题组开发仿生介观组装加工工程新策略

时间:2022-05-27浏览:10设置

      在天然纺丝过程中,分子组装协同纺丝精巧地实现了复杂有序的介观层次结构。受此启发,鸭脖手机版物质科学与技术学院凌盛杰课题组与浙江大学杭州国际科创中心姚远课题组合作,分子-超分子组装相变诱导的机械训练方法相结合,开发出一种仿生介观组装加工工程(meso-assembly-processing engineering, MAPE)策略,并将其用于构建模拟软组织结构和力学特性的生物材料。运用该策略制备的高水合丝蛋白复合材料具有良好力学性能,且性能可调控。这类材料可具备高可拉伸性(破坏应变大于1200%),及高强度和韧性(强度5±1 MPa, 刚度18±2 MPa, 韧性6 MJ m-3)。该类丝蛋白材料可与不同生物组织力学匹配,且在应用中可实现对细胞重建形态的调控,促进细胞生理功能的恢复。近期,相关研究成果以“Natural silk spinning-inspired meso-assembly-processing engineering strategy for fabricating soft tissue-mimicking biomaterials”为题发表在学术期刊Advanced Functional Materials上。

天然纺丝过程中,丝蛋白在丝腺体内组装成丝蛋白球,并在拉伸、剪切力等作用下形成纳米纤维,最后形成具有多层级介观结构的丝纤维。该研究中使用再生丝素蛋白(RSSF)/聚氧化乙烯(PEO)模拟天然纺丝原液中的相分离体系。随着干燥过程中溶液浓度增加,RSSF胶束组装成与天然丝腺体中相似的球状结构。通过调节溶液组成比和/或溶剂蒸发率,RSSF小球的直径可以在0.5-200 μm的范围内调控,最终制得仿生介观组装薄膜(BMAFs)。这些薄膜在宏观上均匀且无缺陷;而在介观尺度上表现出清晰的相分离结构(图1)。

图1:基于RSSF/PEO的仿生介观组装体

对介观组装薄膜(BMAFs)进行机械训练(反复拉伸),可实现RSSF在介观尺度的结构重塑(图2)。最终RSSF小球演化成直径约为300-500nm的纳米纤维结构,其形态与天然丝中的纳米纤维相似。作者研究了机械训练期间BMAF的微观结构演化,结果表明机械训练后β-链(β-strands)平行于薄膜平面,即沿原纤轴定向排布。

图2:对BMAF进行机械训练获得RSSF的结构重构。a机械训练中的BMAF;b训练后BMAF的形貌(左)与天然丝(中)和训练后的纯RSSF膜(右)对比;c-d通过WAXS和SAXS表征BMAF微观结构演化。

通过这种方法制备的BMAFs具有较高的含水量(59±3wt%),表现出典型的韧性材料的力学行为,柔性、可拉伸和韧性等力学特征具有较大范围的可调控性,可在生物组织工程应用中与不同组织相匹配。且其综合力学性能优于大多数不同基质的水凝胶材料与高含水丝蛋白基材料(图3)。

图3:训练过程中BMAFs的力学性能变化及与各生物软组织力学性质对比。

在生物组织工程中,基质可以通过影响细胞的形貌从而影响细胞的生理功能,因此基质材料的微观结构及力学特性都十分重要。本研究表明BMAFs对293T细胞和HeLa细胞具有优异的粘附性,且细胞的各向异性随着BMAFs取向度的增加而增加。HeLa细胞在BMAFs上调整结构的方式涉及细丝的空间重组和聚合调制(图4)。

图4:BMAFs介观结构引发HeLa细胞的形貌转变。细胞边缘的F-肌动蛋白在高取向BMAFs上产生了更多且尺寸更大的平行纤维束,且在取向和非取向的BMAFs上观察到不同的肌动蛋白-微管相互作用。细胞形态(长宽比、扩展面积和周长)和细胞骨架重组(直径、方向和密度)与BMAFs介观结构取向度的梯度增加具有对应性。

这项工作中,合作团队受天然纺丝过程启发,开发了一种MAPE策略。结合相变诱导的分子和超分子组装和机械训练,构建了具有层级结构、力学性能可调控的生物材料,并探索了这类仿生介观组装材料在调节细胞形态方面的作用,可为丝蛋白基生物材料的应用拓展提供有益参考。

    鸭脖手机版物质学院凌盛杰课题组硕士研究生张月华,浙江大学杭州国际科创中心姚远课题组博士后叶莎莎,及凌盛杰课题组博士后曹雷涛为本工作的共同第一作者。凌盛杰与姚远为共同通讯作者。鸭脖手机版为第一完成单位。


论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202200267


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