科学家模拟胶原蛋白组装多功能生物组织材料

美国加利福尼亚大学伯克利分校开发出一种新奇的方法，用一种良性的病毒——噬菌体作为工具，模拟胶原蛋白来组装具有复杂结构的功能材料。研究人员称该方法为“自模板材料组装”，其制造成的特殊功能材料拥有可调节的光学、生物医学和机械性能。该研究发表在10月20日的《自然》杂志上。 来自大自然的灵感 “大自然有独特的能力，能用胶原蛋白、甲壳质和纤维素等非常基本的建材构造出具有各种功能的材料，我们从自然界获得了灵感。”该研究领导、伯克利分校生物工程副教授李承旭（音译）说，“我们发现了一种方法，能用螺旋状大分子模拟胶原蛋白，制造动植物体内复杂的、具有各种功能的组织材料。” 胶原蛋白是自然界最重要的结构之一。比如蓝面狒狒（Mandrillus sphinx）脸上的颜色并非来自色素，而是因为在它们皮肤下面，有层次地分布着绞在一起的胶原蛋白纤维束，产生了特殊的光散射而导致；垂直排列的胶原蛋白则是透明的，是构成角膜组织的基础物质；而螺丝锥形的胶原蛋白纤维，经过和磷酸钙的矿化作用后，能形成最坚硬的组织：骨骼和牙齿。 “当我在旧金山动物园里看到这些蓝面狒狒时，几乎被迷住了：它们肤色明亮、牙齿锋利。而构成眼角膜、皮肤和牙齿这些功能组织的基本材料都一样，那就是胶原蛋白。”李承旭说，胶原蛋白纤维经过排列、弯曲，能形成特殊的光学效果和力学作用，这种简单的材料可用来构造功能多样且复杂的结构。 “我们开始注意胶原蛋白怎样在有限的空间里排列，在环境的影响下怎样组装成了各种组织。”论文领导作者、李承旭实验室的博士后研究员郑佑齐（音译）说，“我们的工作就是从研究这种层级结构的影响因素开始。但不幸的是，胶原蛋白这种材料太难研究，因为它的物理化学结构很难调整。我们需要一种更灵便的模型系统来解决这一问题。” 用病毒构建功能材料 这种模型系统就是不同浓度的M13噬菌体盐溶液。噬菌体只侵袭细菌而对人体无害，形状很长很像筷子，表面还有螺旋状的槽，也像胶原蛋白纤维，非常适于作有机模型。“我们开始理解大自然创造复杂结构的方式，并开发出更容易的方法来模拟它，甚至拓展它。”李承旭说。研究人员介绍说，他们的技术要求把一片玻璃浸入病毒液中，然后以精确的速度缓慢拉出来，玻璃片上就附着上一层新鲜的病毒薄膜。拉出的速度可以在10微米/分钟到100微米/分钟，这样要1小时到10个小时能处理完一整张玻璃片。调整溶液中的病毒浓度和拉出速度，就能控制液体的黏性、表面张力和薄膜增长过程中的蒸发率，这些因素决定了病毒最终所形成的样式结构。研究小组已经利用该技术制造了3种完全不同的结构。比如用15毫克/毫升较低浓度的病毒溶液，能形成规则的条纹间隔，其中纤维彼此呈90度角；如果拉出速度更慢，会提高病毒运动、方向方面的物理参数，当它们附着在玻璃上时，就会自然地聚集在一起，绞成螺旋带状；而最复杂的结构就像“方便面”，所用的病毒浓度在4毫克/毫升到6毫克/毫升，研究人员利用美国劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源对其检测，发现这种高度有序化的结构能像棱镜一样弯曲光线，而这种弯曲方式是自然界或其他工程材料都没有的。 “用这种技术，我们能在组装过程中精确调整影响动力和热力的因素，从而决定形成的结构类型，能控制顺序、扭曲方向、薄膜纹理的宽度、高度和间隔。”郑佑齐说。这种简单便捷的特性，预示了它们有望在制造行业大显身手。人们设定了参数以后，组装过程就会自动进行而不用管它。李承旭说：“我们可以设定晚上开始，到第二天早上就有

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