京都大学Nature子刊：一种具备自分选功能双纳米纤维网络的自适应超分子水凝胶

【引言】

在生命系统中，无数的生物分子(如蛋白质，脂质，DNA和RNA)是通过非共价相互作用自发形成不同的超分子组装体。这些组件是多样的，正交的，精确地调节它们的形成和破坏，对活细胞的多功能性和自主性是至关重要的。优质软材料应该包括多个超分子纳米结构，组装和拆卸等响应可以独立地控制。这样的体系常见于活细胞中并控制由蛋白质、脂质、DNA和RNA组成的各种超分子组件的形成和破裂，以响应外部刺激。而人工制造这样的软材料十分具有挑战性。

【成果简介】

近日，京都大学Itaru Hamachi教授(通讯作者)研究团队在Nature Nanotechnology发表题为“An adaptive supramolecular hydrogel comprising self-sorting double nanofibre networks”的文章。该研究团队制备了一种具备自分选功能的纳米纤维双网组成的混合水凝胶，其中每个网络单元可以对被独立施加的外部刺激作出响应。同时可以通过加入Na₂S₂O₄或细菌碱性磷酸酶来改变其机械性质和包封蛋白质的释放速率。

【图文导读】

图1 SDN水凝胶形成示意图，以及水凝胶和荧光探针的分子结构

a. 两个低分子量的肽和脂质型水凝胶正交聚集成两个不同的超分子纳米纤维，形成一个SDN水凝胶(蓝色分子代表肽和黄色代表脂质类型的水凝胶;蓝色和黄色网络分别表示由自组装的肽和脂质型水凝胶剂组成的纳米纤维)

b. 肽,脂类型凝胶剂(NPmoc-FF，NPmoc-F(4-F)F和Phos-cycc6)和荧光探针(NP-Alexa647和NBD-cycc6)的化学结构；

图2 自分选NPmoc-F(4-F)F和Phos-cycc6的评估

a-c. NPmoc-F(4-F)F的CD谱;

d-e. NPmoc-F(4-F)F和Phos-cycc6的CLSM图像;

f. 分别用NP-Alexa647和NBD-cycc6染色的自分选NPmoc-F(4-F)F和Phos-cycc6纤维的高分辨率CLSM图像(具有Airyscan单元);

图3 NPmoc-F(4-F)F和Phos-cycc6的应激响应

a.NPmoc-F(4-F)F和Na₂S₂O₄之间的化学反应;

b.NPmoc-F(4-F)F凝胶的光学照片和加入Na₂S₂O₄(10分钟)后的溶胶照片；

c.加入Na₂S₂O₄之前和之后(10分钟)的NPmoc-F(4-F)F凝胶的HPLC图；

d.NPmoc-F(4-F)F凝胶(灰色)和通过添加Na₂S₂O₄(红色)从NPmoc-F(4-F)F凝胶获得的溶胶的CD谱；

e.Phos-cycc6和BAP之间的化学反应；

f.添加BAP后的Phos-cycc6溶液的光学照片；

g.添加BAP(0-180分钟)后Phos-cycc6溶液的流变学特性时程；

h.添加BAP(3小时)后Phos-cycc6溶液或凝胶的HPLC图；

i.Phos-cycc6溶液和通过加入BAP获得的凝胶的CD谱；

图4 微粒在Phos-cycc 6溶液和Phos/Ho-cycc 6凝胶中的布朗运动

a.缓冲溶液中Phos-cycc6和荧光微粒(800nm)混合物的CLSM图像；

b.在Phos-cycc6溶液(上部)和Phos/Ho-cycc6凝胶(下部)中的微粒(直径：300nm)的布朗运动CLSM图像；

c.加入BAP(3h)后，在Phos-cycc6溶液和Phos/Ho-cycc6凝胶中的微粒(直径：70-800nm)的布朗运动；

图5 自分选双网络(SDN)水凝胶的刺激响应性

a.NPmocF(4-F)F和Phos-cycc6网络的正交杂交示意图，以及对SDN水凝胶中Na₂S₂O₄和BAP的预期响应(蓝色，黄色和红色表示NPmoc-F(4-F)F，Phos-cycc6和Phos/Ho-cycc6网络)；

b.SDN水凝胶(中)，以及粘性液体和在分别添加Na₂S₂O₄(左)和BAP(右)之后形成凝胶的光学照片

c.频率10 rad s-1前后SDN水凝胶的流变性能(左：Na₂S₂O₄(30分钟)，中：无刺激；右：BAP(3小时))

d.SDN水凝胶(上部：加入刺激前，中部：Na₂S₂O₄(30分钟)，下部：BAP(3小时))的HPLC图;

e.在添加刺激物(左：IgG，中等：Mb，右：ConA，红色：Na₂S₂O₄(30分钟)，灰色：无刺激，蓝色：BAP(3h))后，SDN水凝胶的蛋白释放速率;

图6 刺激SDN水凝胶的命令识别

a.由SDN水凝胶识别刺激顺序的示意图(SDN水凝胶刺激识别路径设计：路线A显示了在加入Na₂S₂O₄，随后加入BAP的SDN水凝胶的预期变化；路线B显示颠倒加入顺序的情况。蓝色(黄色和红色分别表示NPmoc-F(-F)F，Phos-cycc6和Phos / Ho-cycc6网络))；

b-c. 加入刺激后SDN水凝胶的光学照片(b：路线A，c：路线B);

d.在UV光(254nm)下，微粒封装实验的光学照片(上部：路线A，下部：路线B)；

e-f. 在添加刺激之前和之后，在SDN水凝胶中微粒(直径：300nm)的布朗运动(e：路线A，f：路线B)；

【小结】

该工作展示了一种自身具有自分选功能的超分子纳米纤维对。不同的纳米纤维可以制备成合理设计的自分选水凝胶，并能对两个正交刺激的双向流变学和蛋白释放分布变化作出响应。此外，水凝胶通过区分所施加的刺激的顺序展现出适应性的凝胶-溶胶响应。该类水凝胶可以与所希望的功能进行编程，构建为多组分智能软质材料并用于包括治疗，诊断，药物递送，和再生医学在内的自下而上设计的自分拣系统并适用于设计新颖的适应性材料。

文献链接：An adaptive supramolecular hydrogel comprising self-sorting double nanofibre networks (Nature Nanotechnology, 2018, doi:10.1038/s41565-017-0026-6)

本文由材料人编辑部连婷婷编译，陈炳旭审核， 点我加入材料人编辑部。

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