美国加利福尼亚大学伯克利分校开发出一种新奇的方法，用一种良性的病毒——噬菌体作为工具，模拟胶原蛋白来组装具有复杂结构的功能材料。研究人员称该方法为“自模板材料组装”，其制造成的特殊功能材料拥有可调节的光学、生物医学和机械性能。该研究发表在10月20日的《自然》杂志上。
来自大自然的灵感
“大自然有独特的能力，能用胶原蛋白、甲壳质和纤维素等非常基本的建材构造出具有各种功能的材料，我们从自然界获得了灵感。”该研究领导、伯克利分校生物工程副教授李承旭（音译）说，“我们发现了一种方法，能用螺旋状大分子模拟胶原蛋白，制造动植物体内复杂的、具有各种功能的组织材料。”
胶原蛋白是自然界最重要的结构之一。比如蓝面狒狒（Mandrillus sphinx）脸上的颜色并非来自色素，而是因为在它们皮肤下面，有层次地分布着绞在一起的胶原蛋白纤维束，产生了特殊的光散射而导致；垂直排列的胶原蛋白则是透明的，是构成角膜组织的基础物质；而螺丝锥形的胶原蛋白纤维，经过和磷酸钙的矿化作用后，能形成最坚硬的组织：骨骼和牙齿。
蓝面狒狒脸上的颜色并非来自色素，而是皮肤下面一层胶原蛋白受光照射所致。
“当我在旧金山动物园里看到这些蓝面狒狒时，几乎被迷住了：它们肤色明亮、牙齿锋利。而构成眼角膜、皮肤和牙齿这些功能组织的基本材料都一样，那就是胶原蛋白。”李承旭说，胶原蛋白纤维经过排列、弯曲，能形成特殊的光学效果和力学作用，这种简单的材料可用来构造功能多样且复杂的结构。
“我们开始注意胶原蛋白怎样在有限的空间里排列，在环境的影响下怎样组装成了各种组织。”论文领导作者、李承旭实验室的博士后研究员郑佑齐（音译）说，“我们的工作就是从研究这种层级结构的影响因素开始。但不幸的是，胶原蛋白这种材料太难研究，因为它的物理化学结构很难调整。我们需要一种更灵便的模型系统来解决这一问题。”
用病毒构建功能材料
这种模型系统就是不同浓度的M13噬菌体盐溶液。噬菌体只侵袭细菌而对人体无害，形状很长很像筷子，表面还有螺旋状的槽，也像胶原蛋白纤维，非常适于作有机模型。“我们开始理解大自然创造复杂结构的方式，并开发出更容易的方法来模拟它，甚至拓展它。”李承旭说。
研究人员介绍说，他们的技术要求把一片玻璃浸入病毒液中，然后以精确的速度缓慢拉出来，玻璃片上就附着上一层新鲜的病毒薄膜。拉出的速度可以在10微米/分钟到100微米/分钟，这样要1小时到10个小时能处理完一整张玻璃片。调整溶液中的病毒浓度和拉出速度，就能控制液体的黏性、表面张力和薄膜增长过程中的蒸发率，这些因素决定了病毒最终所形成的样式结构。
研究小组已经利用该技术制造了3种完全不同的结构。比如用15毫克/毫升较低浓度的病毒溶液，能形成规则的条纹间隔，其中纤维彼此呈90度角；如果拉出速度更慢，会提高病毒运动、方向方面的物理参数，当它们附着在玻璃上时，就会自然地聚集在一起，绞成螺旋带状；而最复杂的结构就像“方便面”，所用的病毒浓度在4毫克/毫升到6毫克/毫升，研究人员利用美国劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源对其检测，发现这种高度有序化的结构能像棱镜一样弯曲光线，而这种弯曲方式是自然界或其他工程材料都没有的。
“用这种技术，我们能在组装过程中精确调整影响动力和热力的因素，从而决定形成的结构类型，能控制顺序、扭曲方向、薄膜纹理的宽度、高度和间隔。”郑佑齐说。
这种简单便捷的特性，预示了它们有望在制造行业大显身手。人们设定了参数以后，组装过程就会自动进行而不用管它。李承旭说：“我们可以设定晚上开始，到第二天早上就有了几万亿的病毒纤维在基质上排成我们想要的样式。”
此外，这种病毒组装过程还能用于生物医疗领域。研究人员用基因工程让病毒表达一种特殊的多肽，来影响软硬组织的生长。用这种转基因病毒薄膜作为引导磷酸钙矿化作用的组织模板，生成了类似牙齿釉质的混合物，将来能作为一种可再生的组织材料。
相关英文论文摘要：
Biomimetic self-templating supramolecular structures
In nature, helical macromolecules such as collagen, chitin and cellulose are critical to the morphogenesis and functionality of various hierarchically structured materials1, 2, 3. During tissue formation, these chiral macromolecules are secreted and undergo self-templating assembly, a process whereby multiple kinetic factors influence the assembly of the incoming building blocks to produce non-equilibrium structures1, 4. A single macromolecule can form diverse functional structures when self-templated under different conditions. Collagen type I, for instance, forms transparent corneal tissues from orthogonally aligned nematic fibres5, distinctively coloured skin tissues from cholesteric phase fibre bundles6, 7, and mineralized tissues from hierarchically organized fibres8. Nature’s self-templated materials surpass the functional and structural complexity achievable by current top-down and bottom-up fabrication methods9, 10, 11, 12. However, self-templating has not been thoroughly explored for engineering synthetic materials. Here we demonstrate the biomimetic, self-templating assembly of chiral colloidal particles (M13 phage) into functional materials. A single-step process produces long-range-ordered, supramolecular films showing multiple levels of hierarchical organization and helical twist. Three distinct supramolecular structures are created by this approach: nematic orthogonal twists, cholesteric helical ribbons and smectic helicolidal nanofilaments. Both chiral liquid crystalline phase transitions and competing interfacial forces at the interface are found to be critical factors in determining the morphology of the templated structures during assembly. The resulting materials show distinctive optical and photonic properties, functioning as chiral reflector/filters and structural colour matrices. In addition, M13 phages with genetically incorporated bioactive peptide ligands direct both soft and hard tissue growth in a hierarchically organized manner. Our assembly approach provides insight into the complexities of hierarchical assembly in nature and could be expanded to other chiral molecules to engineer sophisticated functional helical-twisted structures.
英文论文链接：https://www.nature.com/nature/journal/v478/n7369/full/nature10513.html
