张洪杰/刘凯Angew:高性能蛋白有机凝胶纤维实现对干细胞的有序诱导和分化

凝胶体系由于具备动态网络,结构灵活性以及可编程的功能性,近年来受到越来越多的关注,特别是引入外界声光电等调控元件使其在可穿戴器件、增材制造、界面粘合以及生物医药等领域获得了显著的进展。然而,其固有的弱力学性能严重限制了该类材料在细胞力学和组织工程方面的应用。除此之外,如何长期保存凝胶材料并维持其性能稳定性依然是一个严峻的挑战。因此,设计制备出新一代软物质材料,兼具优异且持久稳定的力学性能以实现在组织工程领域的应用具有重要的意义。

基于此,清华大学化学系张洪杰/刘凯团队受生物体蛋白纤维长程有序结构的启发,通过合成生物学策略,借助有机溶剂分子的诱导,制备了高力学性能蛋白有机胶纤维,并首次实现了该类新型有机胶纤维对骨间充质干细胞的有序诱导和分化。

图示:高力学特性的蛋白有机凝胶纤维制备及干细胞有序诱导分化


研究人员采用合成生物学以及蛋白质工程等手段制备了具有不同电荷特性的力学功能蛋白。通过与脂质体的多重超分子作用调控蛋白的亲疏水特性,以及在有机溶剂作用下的溶胀,实现了该类蛋白复合物的在有机相条件下的拉丝成型,进而成功制备了工程化蛋白有机胶纤维材料。力学测试表明了该类蛋白有机胶纤维的高力学性能,而且拉伸强度、模量和韧性与目前报道的凝胶体系相比具有显著性提高。利用一系列结构表征技术,研究人员系统研究了该类有机胶纤维的内部分子排列和结构,并且揭示了其各向异性以及长程有序结构对力学性能调控的重要性。而且通过在不同时间的研究测试发现,有机溶剂对该类蛋白复合物具有良溶剂的诱导作用,较长时间内可以稳定纤维的内部结构和力学性能。进一步地,借助该类生物有机胶纤维体系的优异的力学特性,进行了对骨间充质干细胞的力学诱导研究。通过共培养技术,实现了成骨干细胞在有机胶纤维表面的有序生长和分化。因此,该项研究对发展新型纤维材料在细胞力学领域应用具有重要意义,而且利用该类蛋白有机凝胶长期力学稳定性对发展其在新一代可穿戴、可植入智能织物构建方面有一定的应用前景。

 


论文信息:

Anisotropic protein organofibers encoded with extraordinary mechanical behaviors for cellular mechanobiology applications,       https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202009569