京都大學Nature子刊：一種具備自分選功能雙納米纖維網絡的自適應超分子水凝膠

【引言】

在生命系統中，無數的生物分子(如蛋白質，脂質，DNA和RNA)是通過非共價相互作用自發形成不同的超分子組裝體。這些組件是多樣的，正交的，精確地調節它們的形成和破壞，對活細胞的多功能性和自主性是至關重要的。優質軟材料應該包括多個超分子納米結構，組裝和拆卸等響應可以獨立地控制。這樣的體系常見于活細胞中并控制由蛋白質、脂質、DNA和RNA組成的各種超分子組件的形成和破裂，以響應外部刺激。而人工制造這樣的軟材料十分具有挑戰性。

【成果簡介】

近日，京都大學Itaru Hamachi教授(通訊作者)研究團隊在Nature Nanotechnology發表題為“An adaptive supramolecular hydrogel comprising self-sorting double nanofibre networks”的文章。該研究團隊制備了一種具備自分選功能的納米纖維雙網組成的混合水凝膠，其中每個網絡單元可以對被獨立施加的外部刺激作出響應。同時可以通過加入Na₂S₂O₄或細菌堿性磷酸酶來改變其機械性質和包封蛋白質的釋放速率。

【圖文導讀】

圖1 SDN水凝膠形成示意圖，以及水凝膠和熒光探針的分子結構

a. 兩個低分子量的肽和脂質型水凝膠正交聚集成兩個不同的超分子納米纖維，形成一個SDN水凝膠(藍色分子代表肽和黃色代表脂質類型的水凝膠;藍色和黃色網絡分別表示由自組裝的肽和脂質型水凝膠劑組成的納米纖維)

b. 肽,脂類型凝膠劑(NPmoc-FF，NPmoc-F(4-F)F和Phos-cycc6)和熒光探針(NP-Alexa647和NBD-cycc6)的化學結構；

圖2 自分選NPmoc-F(4-F)F和Phos-cycc6的評估

a-c. NPmoc-F(4-F)F的CD譜;

d-e. NPmoc-F(4-F)F和Phos-cycc6的CLSM圖像;

f. 分別用NP-Alexa647和NBD-cycc6染色的自分選NPmoc-F(4-F)F和Phos-cycc6纖維的高分辨率CLSM圖像(具有Airyscan單元);

圖3 NPmoc-F(4-F)F和Phos-cycc6的應激響應

a.NPmoc-F(4-F)F和Na₂S₂O₄之間的化學反應;

b.NPmoc-F(4-F)F凝膠的光學照片和加入Na₂S₂O₄(10分鐘)后的溶膠照片；

c.加入Na₂S₂O₄之前和之后(10分鐘)的NPmoc-F(4-F)F凝膠的HPLC圖；

d.NPmoc-F(4-F)F凝膠(灰色)和通過添加Na₂S₂O₄(紅色)從NPmoc-F(4-F)F凝膠獲得的溶膠的CD譜；

e.Phos-cycc6和BAP之間的化學反應；

f.添加BAP后的Phos-cycc6溶液的光學照片；

g.添加BAP(0-180分鐘)后Phos-cycc6溶液的流變學特性時程；

h.添加BAP(3小時)后Phos-cycc6溶液或凝膠的HPLC圖；

i.Phos-cycc6溶液和通過加入BAP獲得的凝膠的CD譜；

圖4 微粒在Phos-cycc 6溶液和Phos/Ho-cycc 6凝膠中的布朗運動

a.緩沖溶液中Phos-cycc6和熒光微粒(800nm)混合物的CLSM圖像；

b.在Phos-cycc6溶液(上部)和Phos/Ho-cycc6凝膠(下部)中的微粒(直徑：300nm)的布朗運動CLSM圖像；

c.加入BAP(3h)后，在Phos-cycc6溶液和Phos/Ho-cycc6凝膠中的微粒(直徑：70-800nm)的布朗運動；

圖5 自分選雙網絡(SDN)水凝膠的刺激響應性

a.NPmocF(4-F)F和Phos-cycc6網絡的正交雜交示意圖，以及對SDN水凝膠中Na₂S₂O₄和BAP的預期響應(藍色，黃色和紅色表示NPmoc-F(4-F)F，Phos-cycc6和Phos/Ho-cycc6網絡)；

b.SDN水凝膠(中)，以及粘性液體和在分別添加Na₂S₂O₄(左)和BAP(右)之后形成凝膠的光學照片

c.頻率10 rad s-1前后SDN水凝膠的流變性能(左：Na₂S₂O₄(30分鐘)，中：無刺激；右：BAP(3小時))

d.SDN水凝膠(上部：加入刺激前，中部：Na₂S₂O₄(30分鐘)，下部：BAP(3小時))的HPLC圖;

e.在添加刺激物(左：IgG，中等：Mb，右：ConA，紅色：Na₂S₂O₄(30分鐘)，灰色：無刺激，藍色：BAP(3h))后，SDN水凝膠的蛋白釋放速率;

圖6 刺激SDN水凝膠的命令識別

a.由SDN水凝膠識別刺激順序的示意圖(SDN水凝膠刺激識別路徑設計：路線A顯示了在加入Na₂S₂O₄，隨后加入BAP的SDN水凝膠的預期變化；路線B顯示顛倒加入順序的情況。藍色(黃色和紅色分別表示NPmoc-F(-F)F，Phos-cycc6和Phos / Ho-cycc6網絡))；

b-c. 加入刺激后SDN水凝膠的光學照片(b：路線A，c：路線B);

d.在UV光(254nm)下，微粒封裝實驗的光學照片(上部：路線A，下部：路線B)；

e-f. 在添加刺激之前和之后，在SDN水凝膠中微粒(直徑：300nm)的布朗運動(e：路線A，f：路線B)；

【小結】

該工作展示了一種自身具有自分選功能的超分子納米纖維對。不同的納米纖維可以制備成合理設計的自分選水凝膠，并能對兩個正交刺激的雙向流變學和蛋白釋放分布變化作出響應。此外，水凝膠通過區分所施加的刺激的順序展現出適應性的凝膠-溶膠響應。該類水凝膠可以與所希望的功能進行編程，構建為多組分智能軟質材料并用于包括治療，診斷，藥物遞送，和再生醫學在內的自下而上設計的自分揀系統并適用于設計新穎的適應性材料。

文獻鏈接：An adaptive supramolecular hydrogel comprising self-sorting double nanofibre networks?(Nature Nanotechnology, 2018, doi:10.1038/s41565-017-0026-6)

本文由材料人編輯部連婷婷編譯，陳炳旭審核， 點我加入材料人編輯部。

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