《自然·材料》评述:四维水凝胶材料

科技工作者之家 2019-11-03

来源:高分子科学前沿

随着新材料化学和加工技术的进步,生物材料在过去的几十年中已从静态、惰性发展到动态、智能。这种演变包括随时间(第四维度)发生改变的三维材料,例如能感知外在或内在信号(如光和酶)的刺激响应材料,从临时形状恢复到永久形状的形状记忆聚合物,或性质会随材料被侵蚀而变化的可降解材料。水凝胶或是能被水溶胀的聚合物网络,由于能包埋细胞、模拟天然的细胞外基质(ECM)而在生物医学领域中备受关注。近年来,已经出现了多种实现水凝胶时空操控的方法,然而,通过这种技术来操纵重要全长蛋白质的挑战却一直存在。最近,华盛顿大学Cole A. DeForest教授及其同事在《Nat. Mater.》上发表了题为“Bioactive site-specifically modified proteins for 4D patterning of gel biomaterials”的文章。该文章报道了一种在不损害蛋白质生物活性的情况下,将全长蛋白质掺入水凝胶中的方法。功能性蛋白质可以通过各种生物正交光化学反应以可逆的方式固定在水凝胶中,且整个体系具有优异的时空分辨率。

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近期,宾夕法尼亚大学的Jason A. Burdick教授和结合DeForest教授等人的几篇文章对四维水凝胶材料进行了评述,以题为“Moving hydrogels to the fourth dimension”发表于《Nat. Mater.》上。Jason A. Burdick教授评价说:尽管DeForest教授的方法有效实现了全长蛋白质的时空操控,但是该方法太过复杂,其中涉及的多光子激光扫描光刻、小分子和肽合成、蛋白质工程、光化学等的专业技术在个体实验室中并不常见。此外,虽然用正交光基反应模拟和释放STEPL修饰的蛋白质的能力有望模拟在ECM中观察到蛋白质的动态表现,但是这种方法所需的是相对缓慢的扩散过程,致使无法捕获许多时间尺度的内源性信号,而且细胞可能已经通过蛋白质的沉积随时间改变了它们自己的环境。最后,Burdick教授说:这种新技术的创新是非常令人兴奋的,因为它实现了在水凝胶的三维环境中,蛋白质”自上而下“的控制以解决复杂的生物学问题并改变细胞行为。利用这种技术来匹配细胞信号传导的复杂性(通过时间分子控制)和细胞结构的异质性(通过空间控制)的生物学问题和应用是无止境的。

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图1、水凝胶中分选酶标记增强蛋白质结合(STEPL)修饰的蛋白质的光图案化和光释放。首先通过分选酶A介导的转肽用交联官能团修饰感兴趣的全长蛋白质。此后,蛋白质在光照下固定在聚合物网络中,并且后期可通过可逆化学进行光释放。可以重复以上步骤在单个水凝胶内控制添加和释放多种蛋白质,从而进行蛋白质向细胞表达的时空控制。

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0367-7

评述链接:

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0458-5

来源:Polymer-science 高分子科学前沿

原文链接:http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5NjM5NzA5OA==&mid=2651723896&idx=3&sn=8e13ccef88adbb8898762fbe27fa8bbf&chksm=8b4a0a3dbc3d832b168b7de68a062d500029cea1630c462f742b4a2ae6f359c56567120a0937&scene=27#wechat_redirect

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