蛋白质对于具有明确结构和性质的先进生物材料的制造尤其重要。含有刚性结构域，如α-螺旋或β-薄片的蛋白质，已成功开发应用于各种材料领域的仿生高性能纤维材料。相比之下，未折叠结构蛋白（USP），例如树脂样蛋白，包含一种无定形结构，难以形成具有高机械性能的生物纤维。因此，克服USP中的此类结构缺陷是构建高强度和高韧性生物纤维的一大挑战。基于未折叠蛋白质分子，开发合适的组装策略来制造坚固的纤维正成为一个有吸引力的目标。

中科院长春应用化学研究所/清华大学张洪杰院士、刘凯教授、柳柏梅特别研究助理和乌尔姆大学Sun Jing、解放军总医院第一医学中心普外科Wei Bo合作，通过湿纺方法制造了来自由弹性蛋白和增压多肽组成的重组未折叠蛋白的坚固纤维。这种纤维表现出优异的高强度和超韧性，断裂强度为~550 MPa，韧性为~250 MJ m-3，超过了许多聚合物和人造蛋白质纤维。同时，由于其出色的生物相容性和卓越的机械性能，构建的纤维贴片能够在大鼠模型中进行有效的腹疝修复。对比现有的临床贴片，这种贴片治疗没有观察到任何组织粘连，更有利于伤口的愈合。该研究以题为“Engineering high strength and super toughness of unfolded structural proteins and their extraordinary anti-adhesion performance for abdominal hernia repair”发表在最新一期的《Advanced Materials》上。

【基因工程构建未折叠蛋白】

通过重组DNA技术构建了重组融合蛋白，包括树脂样片段（VGSGRPSDSYGAPGGGNP）和阳离子增压多肽片段（VPGKG）5。合成编码单个片段的单体基因，将其应用于重组和连接成环状质粒。逐步多聚后，将具有不同重复单体数（n=8、12、16、20、24）的编码基因载体转化到大肠杆菌中，并表达到相应的不同分子量蛋白质中。表达的无序结构的多嵌段蛋白具有高度亲水性，并含有大量阳离子赖氨酸残基，这有利于在制造未折叠蛋白质（RS）纤维时进行交联和静电组装。且理论蛋白质等电点始终保持在~10.6左右，使蛋白质分子在相同的纺丝条件下实现最大程度的交联或静电组装。

图1：利用基因工程技术构建RS的示意图

【RS-GA纤维的制备】

采用湿法纺丝技术制备了RS纤维库。引入的戊二醛（GA）有助于在SUP域内形成动态亚胺网络，为RS-GA纤维的机械强度提供结构基础。为了进一步延长纤维的分子排列并增强其拉伸性能，采用拉伸后处理，将纤维重新加湿并拉伸至其原始长度的100%。得到的RS-GA纤维为固体，表面光滑，直径均匀，在交叉偏振光下具有可见双折射，与同步辐射小角X射线散射分析中的尖锐条纹一致，说明实现了纤维的长程有序分子结构。拉伸试验表明，随着RS分子量增加，RS-GA纤维的机械性能显著增强，而断裂应变没有显著差异。

图2：RS-GA纤维的制备与表征

【RS-DNA纤维的制备】

通过静电作用，利用长链鲑鱼精子DNA构建RS-DNA复合纤维。同样，RS-DNA纤维具有光滑的表面形态和均匀尺寸。有趣的是，当RS和DNA的比例增加到2:1时，与RS-DNA（1:1）纤维相比，RS-DNA纤维的机械性能显著增强，相应的韧性进一步提高至228.7±39.2 MJ m-3，比天然蜘蛛丝（约180 MJ m-3）更为坚韧。增强的力学行为可以归因于RS蛋白链的增加，增强了DNA和蛋白质之间的超分子相互作用。此外，RS分子在外力作用下沿着刚性DNA骨架滑动，该骨架作为纤维中的牺牲域来耗散输入能量，促进RS组装成高度有序的结构，从而同时赋予纤维高强度和韧性。

图3：RS-DNA纤维的制备与表征

【RS-GA纤维的体内应用】

将RS-GA纤维拧成纤维束，并编织成1.2×1.2 cm的贴片。切除大鼠右上腹壁1×1 cm斜肌建立疝气模型，在使用商用聚丙烯（PP）贴片治疗时，疝切口得到了修复，但观察到严重的术后组织和网膜粘连。而RS-GA纤维贴片治疗组不仅没有导致严重的异物反应和组织坏死，而且在大多数情况下修复后不会导致组织粘连。HE染色分析发现，在PP贴片组中，肌肉组织数量减少，纤维组织和小血管增生，同时观察到大量炎性细胞浸润和局部组织坏死。相比之下，RS-GA纤维贴片植入物周围的炎症反应明显低于PP贴片。这些结果表明RS-GA纤维具有显著的机械性能和生物相容性，可用于腹疝修补术。

图4：RS24-GA纤维在腹疝修补术中的体内应用

【小结】

综上所述，该工作开发了一种新型的高强度和高韧性生物纤维，来源于嵌合和未折叠的结构蛋白。动态共价连接和静电络合促进了蛋白质分子的高有序组装，同时表现出非凡的强度和韧性。通过基因工程对蛋白质大小的精确控制，使生物纤维的断裂强度从~100 MPa控制到~550 MPa，韧性从~60 MJ m-3控制到~250 MJ m-3，所获得的最高韧性甚至比天然蜘蛛丝和蚕丝更坚韧。该纤维材料良好的生物相容性和强大的机械性能使其能够以优异的抗粘连效率进行体内腹疝修补。这种简单的制造方法提供了一种构建机械强度高的蛋白质纤维材料的新范式。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200842

来源：高分子科学前沿

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