Small:基于氢键构建的生物凝聚物材料

凝聚(coacervation)是一种液体与液体的相分离现象,通常发生在带有相反电荷的聚电解质水溶液体系。其中富含聚电解质的液相被称为凝聚层,与之相对应的聚电解质贫乏的液相被称为上清液。凝聚层,因其与原生质,前细胞系统和无膜细胞器的结构高度相似性,被认为是生命的起源。同时,凝聚在构建弹性生物组织(皮肤,血管,肺等的弹性蛋白)和梯度材料(指甲和软组织的连接,鱿鱼嘴和身体的连接)的过程中也扮演着重要角色。近年来,科研工作者发现凝聚在海洋生物的水下附着过程中也发挥着至关重要的作用。

对沙塔虫和贻贝分泌的水下粘性蛋白的破译为仿生合成水下粘合剂提供了重要的指导和依据。然而,沙塔虫分泌的分别带有氨基和磷酸基的粘性蛋白需要结合海水中的Ca2+/Mg2+并达到合适的化学计量法才能形成可以在水下不同界面铺展的凝聚层。仿生的合成体系则需要在凝聚层铺展后长时间(例如10小时以上)的固化(凝聚层形成的酸性环境和海水的碱性环境间的pH梯度使多巴胺的邻苯二酚基团氧化成多巴醌)才能达到最终的水下附着。最近发现的具有相同电荷贻贝粘性蛋白间或者单独的带正电的重组贻贝足蛋白间可以通过短程阳离子-π相互作用形成凝聚层。但是,这种凝聚机理对盐浓度仍具有较大的依赖并且也需要长时间的固化才能达到最终的水下粘合的目的。因此,开发没有盐依赖和具有固有水下粘性的凝聚层是迫切需求的。氢键作用作为生物体中普遍存在的一种分子间相互作用,可以在无盐条件下通过多种不同功能基团的相互作用来实现,具有极大的潜力用来探索氢键驱使的凝聚作用。再考虑到粘合剂的粘合性能很有可能引起微生物聚集从而导致组织发炎,延迟愈合,药物阻断等负面影响,具有固有抗菌性能和特定生物活性的凝聚层具有用作生物胶的巨大强能。

加拿大阿尔伯塔大学曾宏波课题组针对这些问题通过硅钨酸(H4[Si(W3O10)4])水溶液和聚乙二醇(PEG, H(OCH2CH2)nOH)水溶液的简单混合,获得了一种新颖的氢键驱使的具有水下/湿粘附和固有杀菌作用的凝聚层。硅钨酸中的氧和聚乙二醇中的醚氧原子之间可以通过H3O+形成氢键作用,和以往报道的正负电荷相互作用以及阳离子-π相互作用驱使的凝聚现象相比,展示了在无盐环境中凝聚作用的实现。形成的凝聚层可以在水中进行书写和绘制,并对各种基底有非常强的粘附性。它能被用做有效的器官损伤止血剂,并且没有溶血现象,同时具有固有的杀菌性能(杂多酸被认为是新型的抗癌、抗肿瘤、抗病毒的药物体系,硅钨酸是杂多酸最简单最典型的代表),能够使伤口免于微生物聚集引起的炎症和感染。同时,这种凝聚层可以进行大规模的量产,展现了广阔的应用前景。进一步地,PEG的官能团化可以使该体系更加多样化和功能化,使其在组织胶水,伤口敷料,无膜细胞体系等领域的应用具有巨大潜能。相关论文在线发表在 Small (DOI:10.1002/smll.202004132)。论文的第一作者为彭琼瑶,通讯作者为曾宏波。