Kation-induceret formprogrammering og morphing i proteinbaserede hydrogeler

Smarte materialer eller avancerede materialer, der kan huske en midlertidig form og form som reaktion på en stimulus, kan revolutionere medicin og robotteknologi. I en ny undersøgelse nu på Videnskabens fremskridt , Luai R. Khoury og et forskerhold i afdelingen for fysik ved University of Wisconsin-Miluwaukee USA introducerede en innovativ tilgang til at programmere proteinhydrogeler og inducere formændringer ved stuetemperatur i vandige opløsninger. Holdet demonstrerede deres tilgang ved at bruge hydrogeler lavet af serumalbumin, det mest udbredte protein i blodplasma. Forskerne syntetiserede proteinet i en cylindrisk eller blomsterform og programmerede gelerne til en fjeder- eller ringform. De udførte programmeringen ved at ændre materialets stivhed ved at inducere adsorptionen af ​​zink (Zn) ²⁺ ) eller kobber (Cu ²⁺ ) kationer. De programmerede biomaterialer kunne forvandle sig tilbage til deres oprindelige form, når kationerne diffunderede uden for hydrogelmaterialet. Metoden er en innovativ strategi til at programmere proteinbaserede hydrogeler til potentielt at fungere som robotaktuatorer.

Dynamiske biomaterialer med konformationelle ændringer kan lette kunstige vævsstrukturer til morfologisk transformation og blød robotik for at reagere og ændre sig som reaktion på deres miljø. De mest almindelige formformende materialer er baseret på polymerer, der kræver skift mellem en stiv og blød fase. Sådanne materialer er generelt afhængige af to eller flere netværksskeletter, der deler det samme 3-dimensionelle (3-D) rum eller opretholder en kemisk reaktion på små ioner. Programmering er defineret som evnen til at fiksere en midlertidig form i et materiale, og processen kræver en reversibel forøgelse af stivheden. Den indledende formgendannelse kan skifte fra en stiv til en blød fase, typisk realiseret ved at ændre temperaturen, pH eller foto-switching for at kompromittere integriteten af ​​det sekundære netværk.

Khoury et al. tidligere introduceret en metode til at danne form-hukommelse i proteinbaserede hydrogeler, hvor proteiner dannede det primære netværk i et vandrigt miljø, ved at afstive hydrogelerne med adsorberede polyelektrolytter. I denne tilgang holdet producerede proteinhydrogeler ved hjælp af bovint serumalbumin, som er homolog med humant serumalbumin - det mest udbredte blodplasmaprotein. De programmerede hydrogelen ved at stivne induceret via et sekundært netværk lavet af positivt ladede polyelektrolytter, og stimulerede en formændring ved at initiere udfoldelsesresponsen af ​​proteindomænerne i kemiske denatureringsmidler.

Strategien tillod fuldstændig genopretning ved fjernelse af denatureringsmidlet, og denne overgang var meget gentagelig, men polyelektrolytadsorption var irreversibel og resulterede i en ændring i stivhed. I dette arbejde, forskerne brugte divalente kationer til at stivne proteinbaserede hydrogeler og programmerede dem til en række forskellige former, der med succes forvandlede sig tilbage til deres oprindelige form via simpel diffusion. Forskerholdet udforskede den mekaniske ændring for at inducere øget stivhed og programmere proteinbaserede biomaterialer til en række forskellige former. De nyligt programmerede proteinbaserede hydrogeler med små ioner udgjorde et vigtigt skridt til at konstruere biokompatible biomaterialer med justerbare strukturer.

En række reaktioner kan give proteinbaserede hydrogeler, herunder tværbindingsstrategier baseret på behandlinger med glutaraldehyd, enzymatiske reaktioner, eller fotoaktivering. Khouri et al. brugte fotoaktivering til at danne de proteinbaserede hydrogeler lavet af BSA, reaktionen frembragte kovalente carbon-carbon-bindinger. De testede en række koncentrationer for positivt ladede ioner for at øge stivheden af ​​proteinhydrogeler til formprogrammering, og målte ændringen i stivhed ved hjælp af et kraft-klemme reometrisk apparat. Holdet valgte 2 mM som startkoncentration for at producere fuldstændig tværbinding for BSA, og de resulterende hydrogeler viste reversibel adfærd uden plastisk deformation. BSA-hydrogelerne viste en øget stivhed på op til 5 gange, når de blev behandlet med Cu ²⁺ og en 17-fold stivhed i nærvær af Zn ²⁺ ; flere størrelsesordener større end dem, der er rapporteret for geler behandlet med polyelektrolytter, giver mulighed for mere komplekse programmerede former. Den afstivningseffekt var afhængig af opløsningskoncentrationen, hvor Zn ²⁺ var mere opløseligt i vand og derfor mere fordelagtigt end Cu ²⁺ . De BSA-baserede hydrogeler havde en øget sejhed og svigtspænding på grund af øgede kationkoncentrationer. Sejheden repræsenterede materialets evne til at absorbere energi og deformere uden brud. Imidlertid, irreversibel brydning af kovalente bindinger var en begrænsende faktor for forlængelser, og derfor krævede hydrogelen yderligere forfining.

Da dynamikken i morphing fra den programmerede form til den oprindelige form direkte afhang af kation-diffusion uden for biomaterialet, Khoury et al. overvågede fænomenet ved hjælp af en cylindrisk U-formet hydrogel. Hydrogelens form afhang af mængden af ​​stivning induceret ved dosering med kationer. Forskerne opnåede en midlertidig form ved at kombinere ionisk tværbinding og stabile divalente kationer i materialet. De programmerede derefter cylindrisk støbte biomaterialer til en fjederform og blomsterstøbte materialer til en ringform. Kationer i mediet inducerede stærk nok afstivning efterfulgt af morphing fra en ring til en blomsterform.

Polymer-baserede hydrogeler alene har en række anvendelser i formhukommelse og formmorphing-applikationer, selvom de ikke er så strukturelt forskellige som naturligt forekommende proteiner. I denne nye tilgang, Luai R. Khoury og kolleger udviklede proteinbaserede hydrogeler for at gøre det bedste fra begge verdener. Fremgangsmåden var baseret på Zn ²⁺ og Cu ²⁺ kationer for at inducere afstivning for at programmere en permanent form til en ny midlertidig konfiguration. De har også gjort undersøgelsens protokoller bredt tilgængelige via Bio-protokol. Diffusion af ionerne uden for materialet gjorde det muligt for holdet at genvinde den oprindelige struktur. De sigter mod at bruge Zn ²⁺ overvejende i fremtidigt arbejde på grund af højere biokompatibilitet sammenlignet med Cu ²⁺ . Tilgangen bevarede proteinernes funktionalitet ved at danne skelettet af hydrogelen og kombinerede på en bemærkelsesværdig måde biodiversitet med reversibel programmeringsevne.

© 2020 Science X Network