BT与IT的碰撞？中国科学家设计了快速自愈的生物材料

来源：中国生物技术网2021-12-23 08:32

自修复材料不是近几年才提出的概念。美国某服装品牌之前就推出过可以自动修复的服装材料，其原理非常简单，只需要提高线的强度，这样线就不会被剪断，而只是在钉子插入后被拉走。但是这种材料有很大的局限性，面对尖锐器械造成的裂口，其修复功能已经无法发挥作用。从那以后，科学家们将注意力转向了纺织品的涂层材料。鱿鱼的细胞周期蛋白(SRT)蛋白具有“自愈”性能，它存在于腰带中

自修复材料不是近几年才提出的概念。美国某服装品牌之前就推出过可以自动修复的服装材料，其原理非常简单，只需要提高线的强度，这样线就不会被剪断，而只是在钉子插入后被拉走。但是这种材料有很大的局限性，面对尖锐器械造成的裂口，其修复功能已经无法发挥作用。

从那以后，科学家们将注意力转向了纺织品的涂层材料。鱿鱼的环孢菌素(SRT)蛋白具有“自愈”性能。在涂有SRT蛋白的纺织品上滴几滴温水，然后将切片压在一起约60秒，切片将重新连接。

然而，这种自修复材料与我们想象中的自修复材料还有很大的差距。简单来说，这种修复方法并不能使破碎面通过自修复来桥接。另一方面，纯化后的蛋白质材料不再具有活细胞可编程的特性。

生物活体材料可以实现很强的自我修复能力。

随着合成生物学的快速发展，利用智能生物活体材料实现自我修复过程成为可能。传统生物材料提出依靠微生物的生长繁殖来实现自我修复，往往需要几十个小时甚至几天的时间，因此修复时间长极大地限制了其应用场景。对此，研究团队从修复原理上找到了新的途径，找到了一种可以大大缩短材料修复时间的方法。

抗原和抗体分子通常在结构上是互补的(非共价结合依赖于分子间作用力)，因此它们可以在很短的时间内相互作用并稳定结合。这种约束力在外力破坏后可以很快恢复，即可以很快修复。基于这一原理，团队构建了两株表面分别带有抗原和抗体的工程菌株，然后将两株菌株按一定比例混合，通过抗原和抗体的快速相互作用，制备出稳定的具有高自愈能力的LAMBA前体材料。

由于LAMBA前驱体材料的性能与水凝胶相似，结合传统的材料加工技术(如3D打印、微流控等)，可以将LAMBA材料自由加工成不同形状和性能的材料。).

“可编程”生活材料让设备更智能

合格的自修复材料也要智能化。生物活体材料最大的优势之一在于微生物强大的可编程能力。因此，研究团队也从两个方面对此进行了探索。

一方面，通过在两个工程表面展示酶和催化剂，再将其制成LAMBA材料，最终将农药的主要成分对氧磷成功降解为低毒对氨基苯酚。

另一方面，淀粉水解酶展示在一种细菌的表面，海藻糖合酶在另一种细胞中表达，因此淀粉首先被淀粉水解酶转化为麦芽糖，然后作为底物的麦芽糖被运输到另一种工程菌的细胞中，并被海藻糖合酶转化为海藻糖。

LAMBA超强的自修复能力和智能编程能力激发了研究团队进一步探索其在可穿戴设备和生物传感器中的应用。

可穿戴设备通过检测人体的基本生理信号，可以达到日常健康检查和辅助康复治疗的效果，良好的拉伸性能和导电性是其正常运行的必要前提。经过测试，即使经过反复循环拉伸，LAMBA材料的电导率

人体的神经肌肉活动伴随着电生理信号的产生。电生理传感器可用于捕获不同频率的神经肌肉电生理信号。对肌肉电信号的准确采集，一方面可以评估肌肉的健康状况，另一方面可以计算评估人体的瞬时动作意图，从而控制假肢、外骨骼等外部设备。实验结果表明，柔性LAMBA电生理传感器能够准确捕捉肌肉电信号，表现出比单一细菌或相同方法制备的金薄膜传感器更好的信噪比。

另一方面，作为一种柔性材料，LAMBA在应变传感器的制备方面也具有显著的优势。与金膜传感器相比，柔性LAMBA应变传感器能更均匀地反映变形程度。

合成生物学中BT与IT“碰撞”的可能性是无限的

总之，研究团队发明了一种具有快速自修复能力的活体材料。这种材料的优异性能使其在很多领域都有很大的应用前景。技术和BT技术是影响人类未来发展的两大技术。科学界和工业界越来越多地呼吁对这两个领域进行整合和交叉研究。未来，这种创新的“BT IT”协同制造模式必将带来巨大的技术创新。

“LAMBA材料在军事领域的应用令人振奋。想象一下，如果未来将LAMBA材料用于特种军装或军用可穿戴设备，单兵作战能力将大大增强。此外，生物活体材料强大的可编程性使得赋予装甲更多功能成为可能，这将使士兵在战场上更从容地应对各种复杂环境和地形。”通讯作者刘志远在谈及应用场景时说。

“我们希望通过这项研究建立一种组装生活材料的新方法。在生物可编程的基础上，我们可以通过引入高分子物理和化学合成的理论赋予微生物新的特性，使组装的材料具有快速自愈的特性，我们也初步尝试了IT和BT的融合。我们也在推动其他相关的有趣研究，期待并相信合成生物能够带来无限可能。”通讯作者戴说。

中国科学院院士、上海交通大学教授范春海说，这项工作在生活资料的设计和编辑方面迈出了一大步。特别是将高分子物理化学中动态非共价键介导的快速自愈的创新设计思想武装起来，将高分子学科积累的经典体系跨学科引入合成生物学，也提示我们在未来的生物材料设计中可以借鉴材料科学的其他优秀体系。