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  近日上海科技大學物質學院凌盛杰教授課題組與加州大學伯克利分校Grace X. Gu教授及康奈爾大學的Jingjie Yeo教授合作，利用二元溶劑交換誘導自組裝法（BSEISA）制備出雙折射絲蛋白水凝膠（BSEISA-SFHs）。應力場下該凝膠雙折射條紋的動態演變與其內部應力分布變化一致，具有揭示生物組織力學行為的潛力。該研究成果以“Birefringent silk fibroin hydrogel constructed via binary solvent exchange induced self-assembly”為題發表于國際期刊Biomacromolecules上。

  各向異性材料或者某些各向同性材料在力場、電場或磁場的作用下時具有雙折射效應，在偏振光下會顯現出獨特的顏色，可用來揭示材料內部的取向程度或者應力分布情況。生物組織的內部應力分布對于組織工程及人造器官等領域較為重要，但目前市場上大多使用的是硬質雙折射材料，其力學性能與生物組織不相匹配。因此設計開發出一種力學性能與生物組織相接近的雙折射水凝膠具有重要意義。基于以上背景，這項研究中合理設計了一種“雙溶劑交換誘導自組裝”的雙折射蠶絲蛋白水凝膠的生產策略。使得控制蠶絲蛋白的構象和取向提供了可能，合成的材料透明且具有雙折射特性，具有類似于生物組織（如軟骨）的機械特性。有望成為了解生物組織力學響應的良好模型。

  凌盛杰教授課題組首先設計了二元溶劑交換誘導自組裝的方法，其中離子液體（[BMIM]Cl）作為第一種溶劑溶解蠶絲，并選用具有合適的誘導絲蛋白構象轉變速度且與[BMIM]Cl互溶的溶劑作為第二種溶劑，誘導自組裝形成BSEISA-SFHs。

BSEISA-SFHs的制備過程及結構表征。（A）BSEISA-SFHs的制備方法示意圖。（B）凝膠過程二元溶劑交換誘導自組裝示意圖。（C）偏光下BSEISA-SFHs照片。（D）BSEISA-SFHs的斷面SEM圖像。

  合作者Jingjie Yeo教授團隊通過replica exchange molecular dynamics (REMD)模擬探究絲蛋白在[BMIM]Cl/ CH₃OH和[BMIM]Cl/ HCOOH體系中的變化情況，與后者相比，[BMIM]Cl/ CH₃OH體系具有更高的β-折疊含量以及更低的回轉半徑和溶劑可及表面積，得到的BSEISA-SFHs結構更穩定。因此[BMIM]Cl/ CH₃OH最終被選用為所使用的二元溶劑體系，其所制備出的BSEISA-SFHs孔徑為7-10 μm，滿足實現光學透明所需要的條件；同時甲醇蒸汽的定向滲透以及較為緩慢的構象轉變速度有利于各向異性結構的形成，二者共同為實現雙折射水凝膠提供了光學條件和結構特性。

REMD模擬探究BSEISA對絲蛋白結構的影響。（A） 絲蛋白在各自溶劑中的有序結構的百分比，其余為無序結構（未顯示）以及它們的（B）旋轉半徑。（C）溶劑可達表面積，（D）分子間和分子內氫鍵的數目。（E-G）樣品與（E） [BMIM]Cl反應，然后加入（F）甲酸或（G）甲醇后最密集團簇的構象。

  研究中對所制備出的BSEISA-SFHs進行力學測試并與生物組織的力學性能進行對比。實驗證明，BSEISA-SFHs的彈性模量和斷裂應變與皮膚、軟骨以及晶狀體等生物組織能夠很好地匹配，并且其還能夠承受一定程度的變形量，具有良好的形狀恢復性能和抗疲勞特性，這為其能成為組織替代物提供了力學條件。

  研究中進一步對BSEISA-SFHs的雙折射特性進行了系統探究。通過SAXS和WAXS證明了材料結構的取向性，并且不同位置的取向度不同，進而造成BSEISA-SFHs中不同位置顯現出不同的顏色。同時發現在拉伸過程中，這種由于外力造成的取向度改變使得雙折射條紋顏色也隨之變化，并且與合作者Grace X. Gu教授團隊利用有限元分析得出的應力分布情況是相吻合的，當外部應力去除時，雙折射條紋會回到其初始狀態。這種光學-力學相對應的反應和水凝膠的力學性能與生物組織相一致這一條件相結合，證明了BSEISA-SFHs具有作為生物組織替代物去揭示生物組織的力學響應以及失效行為的潛力。

BSEISA-SFHs的結構和雙折射特性。（A）BSEISA-SFHs的雙折射圖案和相應的內部結構監測。（B）WAXS的徑向赤道強度曲線和SAXS的方位角曲線。（C和D）有限元分析模擬的應力分布和對應的BSEISA-SFHs的雙折射條紋演變。左：應變0%，右：應變8%。

  本論文第一作者為上海科技大學物質學院2019級研究生疏婷、安徽農業大學林業與園林學院生物質分子工程中心鄭可副教授及加州大學伯克利分校機械工程系張志洲，通訊作者是上海科技大學凌盛杰教授、加州大學伯克利分校Grace X. Gu教授及康奈爾大學Jingjie Yeo教授。上海科技大學為第一完成單位。該項研究得到了國家自然科學基金、安徽省自然科學基金的資助。同時得到上科大電鏡中心、上科大分析測試中心、上海同步輻射光源以及中國科技大學同步輻射實驗室（合肥國家同步輻射實驗室）的支持。

  文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.biomac.1c00065