实验室微生态与再生医学及组织工程微制造技术平台平台长曹毅教授团队在《德国应用化学》期刊发表重要研究成果

2022年4月28日，南京大学曹毅教授团队在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）期刊在线发表研究论文“Strong and Reversible Covalent Double Network Hydrogel Based on Force-Coupled Enzymatic Reactions”（基于力耦合酶催化反应的强可逆共价双网络水凝胶），该论文由南京大学物理学院与济南微生态生物医学省实验室合作完成。

许多生物组织表现出高抗拉伸或压缩强度、高能量耗散、可恢复、可自愈等显著的力学性能。它们可承受相当大的变形而不断裂，并且在机械载荷释放后迅速恢复其力学性能。如心脏瓣膜在循环机械载荷过程中具有高于80%的回弹性。另外，人体的关节软骨每年能够在百万次循环运动过程中承受兆帕级的压缩应力。水凝胶作为人造软骨和人造椎间盘的替代材料，要求其在循环机械载荷下具有良好的韧性、能量耗散可恢复性。然而，许多人工合成软材料，如水凝胶的机械强度低、韧性差、可恢复性有限。如何利用人工合成强韧性水凝胶模拟生物组织复杂的能量耗散和恢复机制仍是一个难题。鉴于此，南京大学曹毅教授团队报道了基于力耦联酶反应的强可逆共价双网络水凝胶。

Ø 研究人员使用力耦合酶反应将强共价肽键调整为可逆键。基于这个概念，研究人员设计了双网络水凝胶，在相同的水凝胶中结合了高机械强度和可逆机械恢复。具体来说，研究人员发现一种肽连接酶，即sortase A（SrtA），可在外力作用下促进肽的蛋白质水解。肽键可以在没有外力的情况下被同一种酶重新连接。这能够使双网络水凝胶中的可牺牲网络破裂并可逆地重建。研究者在双网络水凝胶中成功地证明了力效应与酶催化反应的协同作用，可调控化学键解离与重构的动态闭环。同时也证明了通过酶催化和力效应相互协同将不可逆共价键转变为可逆共价键。

图1 基于力耦合酶反应的强可逆双网络水凝胶示意图

Ø 研究人员成功地制备了一种强可逆共价双网络水凝胶。该水凝胶的力学性质优异，其杨氏模量高达21 kPa，断裂应变达到2033%，断裂能为9410 J m^-2等。多肽作为可牺牲单元断裂耗散能量，从而提高水凝胶的力学性质。酶催化可使断裂的化学键重构，使水凝胶的能量耗散在合理的时间尺度内可恢复。单分子力谱实验发现，适量的SrtA催化下LPETGGG多肽断裂力比原来至少下降2.7倍，而共价交联寿命比原来至少缩短9倍。荧光标记实验发现SrtA催化多肽的特定位点断裂。超声辅助酶反应实验发现，力酶协同比单一力效应或酶催化生成的产物更多。

图2 SrtA存在下双网络水凝胶的力学性能

图3 利用单分子力谱和荧光标记技术研究力耦合酶促反应的动力学

Ø 该研究结果展示了一种在分子水平上精确控制水凝胶力学和动力学性质的通用方法。它代表了在分子水平上设计具有特殊力学性质水凝胶的一个重大进展。这种新型的强韧性可恢复水凝胶有希望作为功能性软材料得到广泛的应用。

此项工作得到了国家自然科学基金（编号：11934008, 11974174和12002149）和济南微生态生物医学省实验室科研项目（编号：JNL-2022004A）的资助。

参考文献：

Guangxiao He, et al. Strong and Reversible Covalent Double Network Hydrogel Based on Force-coupled Enzymatic Reactions. Angewandte Chemie, 2022.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202201765