PDF《吕珊珊——未来三年研究计划》

30 次以上的应激实验后,材料仍具有良好的应激 性能.[H. Brett Schreyer, N.G., Kwang J. Kim, and Mohsen Shahinpoor, Biomacromolecules, 2000. 1: 642-647.] 电场敏感的凝胶, 由于其形状变化快速平稳并且可控,也已被用作作为介电 弹性体的人造肌肉.[Pelrine, R., et al., Materials Science and Engineering C, 2000. 11: 89-100.] Kaneko 等人通过利用电场中聚合凝胶表面活性分子的可逆的络合作 用合成了这类凝胶. 他们的研究发现,电场的开闭会使得表面活性分子可逆地与 凝胶结合, 从而引起各向异性的收缩与舒张,这在人造肌肉方面拥有着潜在的应 用价值. [Kaneko, D., J.P. Gong, and Y. Osada, Journal of Materials Chemistry, 2002. 12(8): 2169-2177.] 磁场敏感的凝胶, 有时也被称为铁磁凝胶,也是一种可用于制造人造肌肉系 统的材料.[W. Haas, M.Z., H. -G. Kilian and B. Heise, Colloid and Polymer Science 1993. 271(11): 1024-1034.]Szabo 等人通过混合聚合物溶液和磁性纳米溶胶并再 将其交联制得了一类凝胶.他们发现,在附加磁场的情况下,这种凝胶中的凝胶 纤维会发生变形, 依靠凝胶内部的弹力和磁力相互作用从而达到一种平衡态形状, 当撤去磁场后又会恢复成原形态.这种材料表现出很不俗的人造肌肉潜质. [Szabo, M.Z.a.D., International Journal of Modern Physics B, 2001. 15: 557-563.]Miklos 等人则研究了聚乙烯醇与 Fe3O4 合成的磁感凝胶随磁场的变形 行为. 他们发现这种凝胶响应磁的速度比以往的智能凝胶要快得多,而且体积变 化连续, 有着很好的应用前景. [Miklos Zrmnyi, D.S., Hanns-Georg Kilian, Polymer Gels and Networks, 1998. 6: 441-454.] 此外,Pierre-Gilles 等人采用液晶凝胶将形态舒张时间控制在实际肌肉控制 时间之内, 从而克服了传统的凝胶材料在应用于人造肌肉时存在力学反应速度慢、 局部压力过大以致损坏材料等问题的限制.[De Gennes, P.-G., M. Hebert, and R. Kant, Macromolecular Symposia, 1997. 113(1): 39-49.]Giuseppone 的研究小组通过 合成超分子键结合的长聚合物链,也成功设计出了能模仿天然肌肉运动的材料. 这种材料中的每条聚合物链可以生产大约 1nm 的线性伸缩运动,成千上万条聚 合物链同步运动,使整个聚合物链上的收缩或延伸效果超过了 10μm,非常好地 模仿了肌肉收缩和伸展的特性.[Du, G., et al., Angew. Chem. Int. Ed., 2012. 124(50): 12672-12676.] 前文提到的研究模仿肌肉的聚合物凝胶例子, 基本上达到了模拟天然肌肉的应变 能力和弹性模量等特性的目的. 虽然这些凝胶材料均不同程度上地与肌肉的收缩 或拉伸性能相似,但大多数和天然肌肉还是有一定差距的.究其原因,是这些材 料只通过材料表面的力学性质和功能加以模仿, 而不是参考功能机制达到分子水 平上模仿, 较难取得成效, 这导致了到目前为止很少有能够模拟天然肌肉的所有 复杂机械性能的生物材料的相关报道. 申请人的课题组拟通过了解肌肉的构造, 分析肌肉收缩和延伸原理即肌肉生 物力学的微观序列的信息, 尝试从单分子层面出发,研究设计出能同时模仿肌肉 的主动收缩和被动延伸的生物材料. 肌肉主动弹性中所涉及的肌肉收缩被普遍认为是通过钙离子诱导的. 肌肉收 缩过程中的主要细胞事件是游离钙离子浓度的上升.例如,平滑肌的收缩和舒张 是由细胞内游离钙离子浓度变化引起的.在尿平滑肌中,钙离子可以影响肌球蛋 白轻链激酶的活性(磷酸化肌球蛋白轻链).[ Somlyo, A. and A. Somlyo, P hysiol Rev, 2003. 83: 1325-1358.]钙离子浓度的增加引发肌球蛋白轻链磷酸化, [Horowitz, A., et al., Physiol Rev, 1996. 76: 967-1003.]导致肌球蛋白结合肌动蛋白, 并在肌动蛋白纤维上滑动,产生力量,即肌肉收缩.肌肉收缩对钙离子具有响应 性,敏感性,特异性,所产生力的大小也取决于钙离子的浓度.而且肌肉收缩的 过程是可逆的.[Somlyo, A. and A. Somlyo, P hysiol Rev, 2003. 83: 1325-1358.] 这些研究结果表明, 钙离子诱导的蛋白构象变化在肌肉收缩的整个过程中是 非常重要的. 这些结果启发我们提出一种设想,如果我们能够设计出可以在结合 钙离子之后尺寸减小的蛋白质, 然后将这些蛋白质组装在一起合成一种材料,那 么这种材料将在结合钙离子之后,变成更小的尺寸.换句话说,这种材料将表现 出钙离子诱导的体积变化,并产生力,即模仿肌肉收缩的过程.我们拟通过这种 自下而上的设计方法研究能够模仿肌肉主动收缩的材料. 尽管预期所设计出的材料能够模仿肌肉主动收缩, 但这仍局限在宏观水平上 的研究. 只有为材料宏观水平上性能的来源提供分子水平上的依据,才能真正地 从根本上解决现有材料无法模拟天然肌肉的所有复杂机械性能的问题. 蛋白在分 子水平上的力学性能如何转化成材料在宏观水平上的力学性能, 如何在单分子水 平上了解并评价蛋白的机械性能对钙离子的应激收缩变化及形变恢复弛豫也是 亟待解决的科学技术难题. 申请人考虑用单分子原子力显微镜力谱等方法来表征 结合钙离子后蛋白构象和稳定性的变化,并结合钙离子滴定的方法,来研究材料 产生力的速度、 响应时间和最大主动力等性能.只有通过这些分子水平上的研究 与测试, 才能确定该材料能否做到分子水平的模仿肌肉,是否是真正意义上的仿 肌肉材料,从而争取为解决肌肉修复、替换材料........