美国西北大学:研发出可改变自身形状和特性的新型医用活性材料

时间:2018-10-9 17:00:19  来源:材料科技在线

  从扫描电镜图像中可以看到:由包含肽和DNA片段分子所形成的自组装超结构(图中彩色区域)。其中,自组装超结构嵌入在一个肽细丝矩阵中。
来源:Mark McClendon和Ronit Freeman

  科学家们一直致力于寻找如何开发出与生物一样有活力的材料。这种材料可具有改变形状、可移动和可逆转改变性质的能力。

  以大自然为灵感,西北大学的科学家们研发出一种软性材料。这种材料可自动组装成分子超结构,并根据需要进行拆卸,从而改变材料性质。该材料为传感器和机器人等应用打开大门,比如可应用于组织再生的药物传输系统和工具。

  这种具有高度活性的新材料形成了水凝胶。当其超结构显示出损伤或健康脑组织的脑细胞可逆表型时,它们能够提供关于损伤或病后大脑微环境意想不到的生物学线索。

  “我们习惯于将材料视为具有静态属性集,”该论文的共同作者Samuel I. Stupp说道。“而现在我们已经证明:我们可以创造出具有高度活性的合成材料,该材料可以通过形成超结构来改造自身形态并能根据需要进行可逆转换。这是一个真正具有深远意义的突破。”

  研究结果于10月4日发表于《科学》杂志。作者之一Stupp是西北大学Simpson Querrey研究所主任,也是材料科学与工程、化学、医学和生物医学工程的董事会教授。另外,Erik Luijten,材料科学与工程与工程科学与应用数学教授兼主席,是共同通讯作者。

  为研发得到该材料,Stupp和他的博士后研究员Ronit Freeman,现为北卡罗来纳大学教堂山分校的副教授,开发了一些由肽(氨基酸化合物)和其他由肽和DNA组成的分子。当将其放在一起时,这两种类型的分子共同组装形成水溶性纳米级长丝。

  当含有可形成双螺旋互补DNA序列的细丝混合时,可产生双螺旋的含DNA分子“跳出”它们的细丝以形成独特的复杂超结构。最后留下了不含DNA的分子,这些分子形成了简单的细丝。

  含有数百万个分子的DNA超结构看起来像扭曲的细丝束,其长度和宽度均达到微米级。所得材料最初是软水凝胶,随着超结构的形成,材料逐渐硬化。该材料的结构是分层的,这意味着它们包含有不同大小尺度的有序结构。大自然在这方面做得非常好,比如骨骼、肌肉和木材就是分层材料,但这样的结构在合成材料中很难实现。

  更好的是,研究人员发现:当他们添加一个简单的DNA分子,可以破坏超结构中细丝互连的双螺旋时,细丝束就会松开,从而使材料恢复到其初始较软的状态。然后可以使用另一种类型的分子来重整含有超结构的硬化材料。这种可逆性之前从未实现过。

  为了更好地理解这个过程是如何运行的,Stupp与计算材料科学家Luijten一同进行了研究。Luijten和他的研究生Ming Han一起开发了模拟技术,帮助解释了线束如何以及为什么形成和扭曲的机制。在该模拟中,Han和Luijten可研究设计分子的每个部分如何控制超结构的创造。每次计算都会在西北大学的Quest超级计算机上花费数周时间,经过大量实验,他们发现:这些分子不需要DNA捆绑在一起,但原则上可以由许多其他分子对形成。这些分子具有相互作用强烈的化学结构。

  Luijten说:“基于我们对这种机制的理解,我们预测只要细丝表面带有正电荷和负电荷就足够了。”这意味着在完全合成的材料中,像这样的超结构可以在不存在DNA的情况下被创造出来。

  紧接着Stupp和他的实验室成员仅使用肽而不是DNA来创建相同的材料。 当研究人员在模仿DNA互补性的特定结构中使用具有相反电荷的肽时,他们发现它们自组装成超结构,当电荷被中和时也是可逆的。

  这些材料的潜在用途可扩展到医药及其他领域。蛋白质、抗体、药物甚至基因的复杂疗法都可以存储在超结构中,并随着层次结构消失而按需释放到体内。 Stupp说,科学家们还可以寻找可逆超结构导致电子、光学或机械性能甚至颜色和光发射变化的新材料。

  “现在我们知道这是可能的,其他科学家可利用他们的想象力设计新的分子来寻找这些新的'动态'材料。这些材料可根据需要进行内部重组以改变属性,”他说道。

  新材料也引领研究人员进行生物学探究。他们将大脑和脊髓中的星形胶质细胞与神经元相关联并将其应用于新材料。星形胶质细胞十分重要,因为当大脑或脊髓受伤或患病时,它们会获得一种称为“反应性表型”的特定形状,并产生致密纤维网络疤痕。在健康大脑中,星形胶质细胞具有“幼稚表型”和不同形状。

  有趣的是,当研究人员将星形胶质细胞放在仅有简单细丝的材料上时,星形胶质细胞具有幼稚的表型。但当其形成超结构时,它们变得具有反应性。然后,当分层结构被拆解时,他们又返回到幼稚表型。这一发现将细胞微环境的结构与中枢神经系统损伤和疾病中表型的这些关键变化联系在一起。

  生物学家最近发现,通过将这些反应性星形胶质细胞移植到没有受伤的健康受试者中,可以将这些反应性星形胶质细胞恢复到幼稚状态。但Stupp和他的合作者发现:新材料会触发脑细胞中的这些表型转化。

  “细胞对环境中材料的结构做出了反应,”Stupp说。“它给我们提供了新的想法,可以帮助我们了解如何消除受伤或患病的大脑和脊髓中的疤痕。”

  文章来自phys网站,原文题目为New bio-inspired dynamic materials transform themselves,由材料科技在线汇总整理。