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香港理工大学胡金莲教授团队《Mater.Chem.Front》:受肌联蛋白结构启发,可用作人工肌肉的应力记忆聚合物
2019-09-16  来源:中国聚合物网

  肌肉是一种含有蛋白丝的软组织,它负责产生力和运动以执行各种功能,例如保持人体或动物体的姿势或运动以及支持内脏器官的活动。研究者们在开发新材料或新系统以模拟肌肉功能上做了很多努力,主要包括电压响应产生运动的电活性聚合物进行等张收缩。而在实际应用中,另一种收缩功能,等长收缩也同样重要,即肌肉长度恒定但可以产生力的变化。特别是在体育运动中,运动员需要发力才能在肌肉进行静态收缩时保持住一定的姿势。然而,大多数的人工聚合物材料都专注于实现类似肌肉的运动,进而研究各种分子结构或不同刺激方式。尽管有工作提出涂有导电聚合物的人工肌肉织物可以实现等长收缩,但也需要在复杂的结构及电化学刺激下才可以实现。因此,我们需要一个简单合成方式的纯聚合来实现人工肌肉的等长收缩。

  胡金莲教授团队对应力记忆材料的研究已经显示了它们在应用于人工肌肉方面的潜力,其中应力可以被编程,存储,然后通过外部刺激反复获得。他们进一步提出,即只要焓变存在于开关中,应力记忆就可发生,这也在结晶型形状记忆材料中得到了印证。在蛋白质中,二硫键(DB)可以从焓变角度通过其相互作用帮助蛋白质形成肽螺旋结构,并稳定其折叠。在还原反应中,DB被打断为两个硫醇基团,而断裂的DB又可通过氧化反应再次连接。在该过程中,可以通过DB的焓变刺激产生可逆的机械能的储存/释放,这在文献中尚未报道。

图1. 以二硫键(DB)作为肌肉开关的应力记忆聚合物的设计思路示意图。

  在这项研究中,通过上述应力记忆概念来实现肌肉的等长收缩。如图1所示,在施加适当的刺激下,肌肉仍然会在保持长度恒定的同时产生收缩应力。在天然肌肉中,DB存在于肌动蛋白中I1结构域的两个β折叠之间,其中肌肉氧化还原环境起着关键作用,可以通过应力调节控制被动弹性和整体收缩能力。在本工作的聚合物中以DB作为开关,利用其动态结构和对氧化还原响应的特性,加入Polypropylene glycol (PPG) 确保稳定的交联网络,加入无定形聚合物链Poly(tetramethylene ether) glycol (PTMEG)保证了整个聚合物结构的弹性以模拟肌肉功能。(图2)

图2 肌细胞示意图及受肌联蛋白结构启发的应力记忆聚合物合成路线。

图3 所选氧化还原方法对二硫键开关的作用。

  图3通过拉曼光谱表明二硫键在所选择的氧化还原条件下有良好可逆变化。随着DB的百分比增加,拉伸应力以及材料模量相应上升。在材料经过还原反应后,拉伸应力发生明显下降,意味着DB的有效打开。

图4 等长收缩的实验方案及结果。(b)-(e)在氧化还原环境中的记忆应力。(f)-(i)在纯改变温度环境中的记忆应力。

  如图4所示应力记忆行为,代表肌肉中等长收缩的能力。在等长收缩中,仅通过改变还原和氧化的条件就可以重复调节应力,表明DB开关在实现记忆应力中的决定性作用。

图5 焓变、DB含量与各应力之间的关系, 以及基于DB为开关在氧化还原环境下的应力记忆聚合物等长收缩模型。

  这种类似肌肉的应力记忆材料与现有的人造肌肉不同,它的驱动力主要来自焓变而不是熵弹性,刺激是由氧化还原调节,通常存在于天然肌肉环境内。类似于肌肉中的力量演变和可逆运动,每个刺激周期包括三个阶段:应力产生,阻力期和肌肉松弛期。(图5)其输出的等长收缩应力可根据实际应用轻松控制和调整。随着DB的百分比增加,转变时的焓变相应增加,在20%的DB含量下,等长收缩应力可达到0.55MPa,为拉伸应力的47%。这项工作反映了包括天然纤维在内的生物材料的智能行为,并且可以用作以热焓驱动的人工肌肉。同时,揭示了生物系统中二硫键的强大功能。

  以上成果以“A Titin Inspired Stress-Memory Polymer Acts as Muscle”为题,发表在Materials Chemistry Frontiers上。论文第一作者为香港理工大学博士生朱珊珊,通讯作者为香港理工大学胡金莲教授

  论文链接:

  Materials Chemistry Frontiers , 2019, DOI: 10。1039/C9QM00453J ;

  

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(责任编辑:xu)
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