水凝膠是由物理或化學(xué)交聯(lián)的水溶脹性聚合物網(wǎng)絡(luò)合成的軟材料。由于其出色的生物相容性/生物降解性，與天然組織和器官相似的機(jī)械性能以及對環(huán)境的響應(yīng)能力，水凝膠已被廣泛用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，包括藥物輸送、生物傳感器、組織工程和再生醫(yī)學(xué)的合成細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）。最近，許多生物分子，包括蛋白質(zhì)、肽、DNA和RNA被用作合成水凝膠的結(jié)構(gòu)單元。蛋白質(zhì)水凝膠因其可設(shè)計和可調(diào)節(jié)的生化及機(jī)械特性而倍受關(guān)注。南京大學(xué)的曹毅團(tuán)隊在?ACS Macro Lett.上發(fā)表了“100th Anniversary of Macromolecular Science Viewpoint: Synthetic Protein Hydrogels”，以高分子科學(xué)的觀點(diǎn)綜述了合成蛋白水凝膠的最新進(jìn)展。
1.?從天然蛋白質(zhì)到合成蛋白質(zhì)/肽
天然蛋白質(zhì)可從自然界獲得，已廣泛用于水凝膠。
例如，基質(zhì)膠是多種結(jié)構(gòu)的混合物蛋白質(zhì)（包括層粘連蛋白、膠原蛋白和蛋白聚糖）；來自單一蛋白成分的其他天然蛋白水凝膠（包括彈性蛋白、膠原蛋白、明膠（部分變性的膠原蛋白）、絲蛋白和球狀蛋白）。除了天然來源，蛋白質(zhì)還可通過重組DNA技術(shù)和固相肽合成方法獲得。
蛋白質(zhì)水凝膠可以完全由合成蛋白質(zhì)制成，也可以由蛋白質(zhì)和其他聚合物的混合網(wǎng)絡(luò)制成。
蛋白水凝膠的優(yōu)點(diǎn)是合成步驟簡單，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對更均一。與化學(xué)合成或天然衍生的聚合物相比，重組蛋白通常更昂貴。
全蛋白質(zhì)和雜合蛋白質(zhì)水凝膠都可以是動態(tài)物理凝膠或穩(wěn)定的化學(xué)凝膠。在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，蛋白質(zhì)既可以充當(dāng)交聯(lián)劑，也可以充當(dāng)承重模塊。
2.?蛋白質(zhì)水凝膠的獨(dú)特性
與其他聚合物相比，蛋白質(zhì)許多特性使蛋白質(zhì)水凝膠具有多種功能。
蛋白質(zhì)是具有明確定義的序列的聚合物，其分子水平上的化學(xué)性質(zhì)（交聯(lián)密度和生物活性配體的數(shù)量）能夠很好被地控制。
其次，蛋白質(zhì)一級序列編碼的獨(dú)特二級和三級結(jié)構(gòu)使其有不同的機(jī)械性能。此外，自然界為水凝膠提供了豐富的蛋白質(zhì)構(gòu)件。
它們可以是來源于具有機(jī)械特性的結(jié)構(gòu)蛋白，也可以是體內(nèi)無機(jī)械功能的蛋白質(zhì)。大多數(shù)蛋白質(zhì)具有生物相容性，適合生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。
3.?蛋白質(zhì)模塊的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能
水凝膠的機(jī)械性能是調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、擴(kuò)散和分化的重要生理信號。細(xì)胞可以感知并響應(yīng)水凝膠的多種復(fù)雜機(jī)械性能，包括彈性、韌性、應(yīng)變軟化/剛度和應(yīng)力松弛。這些蛋白質(zhì)可以是生物環(huán)境中具有明確機(jī)械功能的天然蛋白質(zhì)，也可以是不具有機(jī)械功能的蛋白質(zhì)（圖1）。
彈性蛋白和節(jié)肢彈性蛋白是隨機(jī)線圈結(jié)構(gòu)，并在體內(nèi)起熵彈簧的作用。
它們與組織的彈性和可延展性相關(guān)，這些蛋白質(zhì)可以使用重組DNA技術(shù)合成。
這些蛋白質(zhì)的拉伸和松弛曲線是可逆的，無滯后現(xiàn)象。
彈性蛋白通常是高度水溶性的，化學(xué)交聯(lián)可形成水凝膠。彈性蛋白的可溶性及溶解度取決于它們的序列。
許多天然彈性蛋白是纖維狀的，但纖維狀結(jié)構(gòu)的合成蛋白非常有限。與內(nèi)在無序的蛋白質(zhì)和纖維狀蛋白質(zhì)相比，球狀蛋白質(zhì)在性質(zhì)上更為豐富，是天然細(xì)胞外基質(zhì)的主要成分。
它們可以通過機(jī)械力展開，從而為材料提供可擴(kuò)展性和韌性。
將不同的球狀蛋白結(jié)合起來可設(shè)計機(jī)械性能（包括彈性，韌性，可延展性和自愈性能）可調(diào)控的蛋白水凝膠。通過調(diào)節(jié)交聯(lián)劑和承載模塊的機(jī)械性能可半定量預(yù)測工程化水凝膠的機(jī)械性能。
4.化學(xué)交聯(lián)方法：
在水凝膠中，永久性共價交聯(lián)提供水凝膠所需的機(jī)械剛性，而物理交聯(lián)提供水凝膠的動態(tài)和響應(yīng)特性（圖2A）。
理想的交聯(lián)方法是專一、快速、高產(chǎn)率的。通常這些交聯(lián)方法基于蛋白質(zhì)酪氨酸、半胱氨酸和賴氨酸（圖2B）。
交聯(lián)方法包括光催化、酶催化、被氧化形成二硫鍵、巰基Michael加成與缺電子碳-碳雙鍵或自由基巰基烯與缺電子碳-碳雙鍵的反應(yīng)。
這些反應(yīng)并被用于設(shè)計蛋白質(zhì)-聚合物雜化水凝膠。水凝膠也可以利用許多酶催化反應(yīng)進(jìn)行工程設(shè)計（圖2C）。
通常使用的連接酶包括sortase、裂腸肽、丁烯醛、磷酸泛乙烯基轉(zhuǎn)移酶和天冬酰胺基內(nèi)肽酶。
它們可以連接特定的肽序列或肽配體形成共價鍵。這些酶促反應(yīng)具有特異性和正交性。
當(dāng)不同的酶被結(jié)合時，它們可用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的水凝膠工程。
酶的濃度和活性可控制凝膠動力學(xué)，為控制凝膠動力學(xué)提供途徑。
其他一些能夠改變蛋白質(zhì)疏水性或構(gòu)象的酶也可以用來啟動蛋白質(zhì)水凝膠的凝膠化，如基因編碼的點(diǎn)擊化學(xué)（圖2D）。
5.物理交聯(lián)方法：
水凝膠也可以基于蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)-配體相互作用進(jìn)行物理交聯(lián)。據(jù)估計，在人類相互作用體中存在～650?000蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用。
然而，可用于交聯(lián)蛋白質(zhì)水凝膠的相互作用對應(yīng)滿足以下要求：
- 1，交互對不應(yīng)該太大，否則它們可能會影響在細(xì)菌中的溶解度和表達(dá)；
- 2，應(yīng)具有較強(qiáng)的親和力；
- 3，綁定/解除綁定動力學(xué)也很重要。
水凝膠應(yīng)具有良好的自愈性和注入性。然而，如果相互作用過于動態(tài)，水凝膠往往是不穩(wěn)定。
6.刺激響應(yīng)性：
許多蛋白質(zhì)在體內(nèi)負(fù)責(zé)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和能量轉(zhuǎn)換，這些功能往往是通過蛋白質(zhì)的動態(tài)構(gòu)象變化來實現(xiàn)的。
這種獨(dú)特的特性可以直接實現(xiàn)到蛋白質(zhì)水凝膠中，以獲得刺激響應(yīng)性。蛋白質(zhì)水凝膠可以通過配體結(jié)合誘導(dǎo)蛋白質(zhì)構(gòu)象變化來響應(yīng)不同的化學(xué)物質(zhì)。蛋白質(zhì)水凝膠可以通過化學(xué)變性劑和熱誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)折疊/展開來響應(yīng)外界刺激，但化學(xué)變性劑會破壞蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致蛋白質(zhì)的去折疊，大大降低水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度；溫度也有導(dǎo)致蛋白質(zhì)的不可逆熱變性和聚集的缺點(diǎn)，盡管設(shè)計得當(dāng)時可用于生產(chǎn)強(qiáng)韌蛋白質(zhì)水凝膠。
pH和鹽離子響應(yīng)性水凝膠也可以基于肽和蛋白質(zhì)的折疊/展開進(jìn)行工程設(shè)計。
光響應(yīng)蛋白質(zhì)水凝膠具有特殊的意義，它們可以無創(chuàng)、可逆地控制溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變并在時空尺度上調(diào)節(jié)機(jī)械性能，許多光響應(yīng)蛋白已被設(shè)計成響應(yīng)水凝膠（圖4）。
光響應(yīng)蛋白水凝膠可以通過三種不同方法工程化：
- （1）光誘導(dǎo)蛋白質(zhì)低聚物的離解/締合；
- （2）蛋白質(zhì)的光解；
- （3）蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化。
其他響應(yīng)性水凝膠也被廣泛研究。如酶反應(yīng)水凝膠可用于藥物控制釋放和細(xì)胞培養(yǎng)。
7.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：
水凝膠的穩(wěn)定性和力學(xué)性能與其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，水凝膠網(wǎng)絡(luò)決定外力如何傳遞到單個蛋白質(zhì)。
盡管大多數(shù)合成蛋白質(zhì)是線性聚合物，但仍有很大空間改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖5）。
蛋白質(zhì)及蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)復(fù)合物的機(jī)械穩(wěn)定性在很大程度上取決于拉力的方向。
蛋白質(zhì)水凝膠中的蛋白質(zhì)通常從其兩端承受拉伸力，但一些交聯(lián)方法隨機(jī)合成的水凝膠網(wǎng)絡(luò)拉伸方向不明確。
利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)可以明確蛋白質(zhì)上的力方向，這對于物理交聯(lián)水凝膠尤為重要。
引入多臂交聯(lián)劑可以構(gòu)建具有理想網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)水凝膠。具有新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)水凝膠的網(wǎng)絡(luò)由于精確的序列接近理想的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
因此，多臂蛋白水凝膠的缺陷更小，力學(xué)穩(wěn)定性更強(qiáng)。
8.生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用：
蛋白質(zhì)水凝膠的許多特性使其成為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的理想軟材料。
首先，它們可以使用細(xì)胞外基質(zhì)的蛋白質(zhì)構(gòu)建為基礎(chǔ)，因而具有細(xì)胞相容性高，適用于多種細(xì)胞培養(yǎng)和體內(nèi)應(yīng)用。
水凝膠物理/化學(xué)性質(zhì)對其他生物應(yīng)用也很重要。
例如，在三維細(xì)胞培養(yǎng)時，溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變速度應(yīng)非常快，以避免細(xì)胞在包裹過程中沉淀；蛋白質(zhì)水凝膠的力學(xué)性質(zhì)可以作為一種控制細(xì)胞自我更新、增殖、遷移和干細(xì)胞分化的新手段；當(dāng)使用合成蛋白質(zhì)水凝膠進(jìn)行蛋白質(zhì)和細(xì)胞傳遞時，剪切稀釋和自愈性能對治療藥物的注射性是必不可少的。
【結(jié)論和展望】
盡管合成蛋白水凝膠在軟生物材料領(lǐng)域中已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但其工程設(shè)計仍然存在許多挑戰(zhàn)。
首先，合成蛋白的穩(wěn)定性和產(chǎn)量難以提高合，成本降低困難。
其次，仍然很難用排列良好的纖維來復(fù)制自然組織的各向異性結(jié)構(gòu)。
第三，需要系統(tǒng)研究來合理設(shè)計蛋白質(zhì)水凝膠的機(jī)械性能。
第四，一旦將細(xì)胞培養(yǎng)在蛋白質(zhì)水凝膠中，集成的系統(tǒng)便具有協(xié)同的機(jī)械性能。
此外，細(xì)胞培養(yǎng)過程中的動態(tài)響應(yīng)會改變蛋白質(zhì)水凝膠機(jī)械性能。
最后，盡管大多數(shù)蛋白質(zhì)直接來自天然人類蛋白質(zhì)，但其生物相容性應(yīng)進(jìn)一步被研究。
基于蛋白質(zhì)水凝膠的獨(dú)特特征和該研究領(lǐng)域的迅速擴(kuò)展，作者認(rèn)為蛋白質(zhì)水凝膠在未來有更廣泛的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。
一些成熟的蛋白質(zhì)水凝膠可以作為實驗室細(xì)胞培養(yǎng)的標(biāo)準(zhǔn)材料，甚至可以作為醫(yī)學(xué)和臨床應(yīng)用的新型生物材料進(jìn)行商業(yè)化。
