分分钟”能自愈的活体材料来了

来源：中国科学报 2021-12-31 10:59:37

LAMBA材料具备优异的拉伸性能，非常适合可穿戴设备或衣物的制造。中国科学院深圳先进技术研究院供图

中国科学院深圳先进技术研究院戴卓君课题组与刘志远课题组合作，提出了一种全新的可快速修复的活体材料构建思路，并进一步将其转化成一种普适的活体材料组合方法，推广应用于智能制造及可穿戴设备的组装等全新领域。近日，相关成果发表于《自然—化学生物学》。

该成果是研究团队在合成生物学领域融合生物技术（BT）与信息技术（IT）的一次新尝试。

实现强大的自修复能力

自修复材料并非是近些年来才提出的概念。此前，美国某服饰品牌就推出过能自动修复的衣服材料，其原理非常简单——通过提高线的强度，使插入的铁钉不能将线割断而只是把线拨开。但这样的材料局限性很大，面对锐器等造成的割裂，其修复功能便不能发挥。

此后，科学家将目光投向纺织品的涂层材料。鱿鱼的环齿（SRT）蛋白具有“自愈”性能，在覆盖SRT蛋白涂层的纺织品上滴几滴温水，再把断面重叠、按压60秒左右，断面就会重新连接。

然而，这一材料与理想的自修复材料仍有很大差距。简单来说，一方面，这样的修复方式无法使断裂面通过自修复而弥合；另一方面，提纯后的蛋白材料也不再具有活细胞可编程的特性。

合成生物学的快速发展，使得利用智能生物活体材料实现自修复成为可能。不过，传统的活体材料依靠微生物的生长繁殖实现自修复，这一过程往往耗费数十小时甚至几天的时间，漫长的修复时间极大限制了其应用。

这一次，研究团队决定从修复原理上另辟蹊径。

通常，抗原和抗体分子在结构上具有一定的互补性，它们通过分子间的作用力形成非共价结合，在极短时间内就可发生特异的相互作用而稳定结合。这种结合力可在外力破坏后迅速还原，快速实现自修复。

“基于这一原理，我们分别构建了表面有抗原和纳米抗体的两种工程菌株，再以一定比例将两种菌株混合，通过抗原—抗体间的快速相互作用，制备出了稳定的、具有高效自修复能力的LAMBA前体材料。”论文共同通讯作者戴卓君告诉《中国科学报》。

由于LAMBA前体材料性质与水凝胶相近，因此，通过传统的材料加工工艺（如3D打印、微流控等），就可以将LAMBA材料加工成形态、性能各异的材料。

“可编程”活体材料让设备更智能

生物活体材料最大的优势之一就在于微生物强大的可编程能力。

“一方面，我们通过在两种工程细菌表面展示酶和纳米催化剂并将其制成LAMBA材料，成功地将农药的主要成分对氧磷降解为低毒害的对氨基苯酚。另一方面，我们在一种细菌表面展示淀粉水解酶、在另一种细菌胞内表达海藻糖合成酶，这样一来，淀粉先被淀粉水解酶转化为麦芽糖，然后麦芽糖作为底物再被运输到另一种工程菌胞内被海藻糖合成酶转化为海藻糖。”戴卓君说。

受LAMBA材料具备的超强自修复能力以及智能编程能力的启发，研究团队进一步对其在可穿戴设备和生物传感器上的应用进行了探究。

可穿戴设备通过检测人体基本生理信号达到日常健康检测、康复治疗辅助等效果，良好的拉伸性能和导电性能，是其正常运行的必要前提。研究团队通过测验发现，即使经过反复循环拉伸，LAMBA材料的导电性能依然维持稳定。在被破坏后，只需几分钟，LAMBA材料便会恢复原有性能。

此外，研究还显示，柔性LAMBA电生理传感器可准确捕捉肌肉电信号，相比于相同方法制备的单菌或金薄膜传感器，其显示了更好的信噪比。

“作为柔性材料，LAMBA在应变传感器的制备中也具有显著优势，与金薄膜制成的传感器相比，柔性LAMBA应变传感器能更加均匀地反映形变程度。”戴卓君说。

BT与IT“碰撞”出无限可能

IT技术与BT技术是影响人类未来发展的两大技术，一直以来，科学界与产业界对两个领域相互融合、交叉研究充满期待。

“我们希望通过该研究建立一种活体材料组装新方法，在活体生物可编程的基础上，引入高分子物理及化学合成理论，赋予微生物新的特性，使组装的材料具有快速自愈合的特性。同时，我们初步尝试了IT与BT的融合，也在推进其他相关的各项有趣研究，期待并相信合成生物能够带来无限可能。”戴卓君说。

中国科学院院士、上海交通大学教授樊春海表示，该工作在活体材料的设计与编辑中跨出了一大步。将高分子学科中积累的经典体系跨学科地引入合成生物学，提示在未来的活体材料设计中，可以学习和借鉴其他材料科学的优秀体系。

中国科学院院士、中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所首席科学家赵国屏表示，该成果聚焦活体功能材料领域，挑战了活体材料分钟内自愈这个单纯依靠细胞分裂无法实现的难题。值得一提的是，该工作进一步将活体材料与多种可穿戴器件组装在一起，如肌肉电信号传感器以及压力传感器，突破了生命体与非生命器件的界限，拓展了活体材料的构建框架和应用领域，这是化学生物学及生物技术与材料科学和工程科学学科交叉“会聚”研究的一个范例。

研究人员表示，相信这种创新的“BT+IT”协同制造模式，必将带来大的技术革新。（见习记者刁雯蕙）