ChemicalReviews生物材料加工久经考验的可持续纤维制造技巧

　　材料的可持续性是生产和使用过程中比较关键性的问题。加拿大麦吉尔大学Matthew J. Harrington教授 回顾了不同模型系统中材料的物理和化学方面处理过程，探索人类可以从大自然中学习如何可持续地制造具有优异材料性能的高分子纤维，包括蜘蛛丝、贻贝、丝绒蠕虫黏液、盲鳗黏液和槲寄生黏液。基于此，确定了共同和不同的策略，强调了受生物灵感设计和技术转让的潜力。尽管所调研的生物聚合物纤维存在多样性，但是确定了多个系统中的几种常见策略，包括:(1)使用刺激响应生物分子构建模块，(2)使用在可控化学条件下存储的浓缩流体前驱物相(例如凝聚物和液晶)，以及(3)使用化学(pH值、盐浓度、氧化还原化学)和物理(机械剪切、切向流)刺激来触发从流体前驱物到固体材料的转变。 重要的是，由于这些材料主要在生物体体外形成和发挥作用，这些原理可以更容易地转移到合成系统的生物设计中。相关工作以＂Biological Materials Processing: Time-Tested Tricks for Sustainable Fiber Fabrication ＂为题于2022年12月12日发表在＂Chemical Reviews ＂上。
　　这篇综述主要强调在动物和植物界中选定的生物模型系统中生物聚合物纤维制造的特征。与脊椎动物纤维组织(例如，肌腱，韧带，纤维，弹性蛋白纤维)相比，这些模型系统之间的一个共同点是非生物的(不含活细胞)，是体外的(在生物体的活体外起作用)，更适合于研究和仿生。尤其是从那些天生较为复杂的生物模型中，把将相关的物理和化学组装原理分离出来时，这是一个优势。事实上，肉眼可见的多细胞组织和器官是一个高度复杂的过程，它依赖于生物力学信号传导和细胞级联，因此不容易进行仿生，除非是极其抽象的形式。
　　另一方面，某些生物已经进化到在体外，通过自下而上的生物分子前体的超分子组装制造高性能生物聚合物材料。因为这些在体外的非生物组织的形成在很大程度上不受活细胞的控制，一旦蛋白质被合成，引导自我组装的指令必须预先编程到生物分子构建模块本身的生化结构中。在这个意义上，编程指的是构建单元对特定局部刺激(例如，pH值、离子浓度、机械剪切)作出固有倾向的反应，从而导致分子自我组装成预定的层次结构和配置。可以将这一过程归结为三个关键特征:(1)刺激响应构建模块，(2)可控微环境中的浓缩流体相，以及(3)触发的自组装和凝固。
　　图1高性能纤维材料在自然界中的自组装。
　　一般来说，蜘蛛丝具有很高的拉伸强度，但也可伸展，这导致与其他天然纤维和人造材料相比，具有出色的能量耗散能力。在过去的4亿年里，蜘蛛已经完善了它们的吐丝能力，今天，一些种类的蜘蛛可以从位于腹体(即腹部)的专门腺体中吐丝7种不同类型的丝，蜘蛛丝纤维是由高度浓缩的液体原料迅速形成的。因此，蜘蛛已经解决了生产足够数量丝蛋白的艰巨挑战，以极高的浓度储存它们，并在腺体的特定部分精确控制和限制聚合过程。最近在丝腺生理学和蜘蛛蛋白结构/生化表征的理解方面取得的进展，以及新一代测序技术的结果，至少部分地揭示了潜在的生物学机制。
　　蜘蛛将蛛丝用于许多不同的目的，例如，缠绕猎物，作为附着盘，繁殖和织网捕获猎物。大多数蜘蛛所结的网可以有不同和复杂的结构，如球体网、漏斗网、蜘蛛网、薄片网和梯子网。一个经典的球网由五种不同的丝组成：主要的壶形丝用于制造径向线和框架，次要的壶形丝用于制造内部螺旋，鞭毛状丝用于制造超级可扩展的捕获螺旋，其表面覆盖着聚合丝的粘性液滴，梨形丝用于制造附着盘。此外，管状丝和腺状丝都用来制作卵袋，而腺状丝也用来捆扎猎物。所有这些丝都是在独立腺体中产生的，这些腺体与腹部，尾腹部的几组龙头相连。
　　蜘蛛丝纤维的主要成分是被称为蜘蛛蛋白的蛋白质。蜘蛛蛋白具有一种共同的结构，有非重复的N端和C端结构域(分别为NT和CT)，它们覆盖了一个广泛的重复中心区域。末端结构域都折叠成五螺旋束，在进化上是保守的，是蜘蛛丝蛋白所独有的。它们的主要功能在于促进蛋白质合成和储存过程中的溶解度，以及决定纺丝过程中的相变。蜘蛛蛋白重复区域对于每一种丝类型都是独一无二的，并通过折叠成特定的二级、三级和四级结构。
　　图2 蜘蛛丝，主要壶腹腺的解剖和典型蜘蛛丝蛋白的示意图
　　贝蚌为化学家和工程师提供了广泛的灵感，开发出具有高级性能的高分子材料、复合材料和胶水(例如，高韧性、自愈能力、水下粘附性)。旨在模拟贝丝的研究人员采取了两种互补的策略：(1)与人造丝生产类似，第一种策略利用生物技术合成蛋白质和化学合成短肽来生产基于蛋白质的材料或聚合物-肽混合材料，目的是重现贝丝的一些功能(例如，湿附着，金属结合)。(2)第二种策略涉及一种更简化的合成方法，侧重于只模仿蛋白质化学的特定特征(例如，DOPA和组氨酸侧链)，而不是在原生贝丝蛋白中发现的全部或部分蛋白质序列。
　　自2005年以来，以贻贝为灵感的材料论文已经有数千篇，其中大多数与儿茶酚化学的拟态有关，灵感来自于大量富含多巴的贝丝蛋白。该领域的早期创始者特别关注DOPA邻苯二酚侧基，由于其多功能的化学性质而具有参与众多黏附和内聚相互作用的能力。例如，儿茶酚与金属氧化物表面产生强相互作用的能力被用于生产涂层和粘合剂材料，而儿茶酚产生动态金属配位配合物的能力被用于形成具有可调、pH响应和自愈合性能的聚合水凝胶材料。除了这些，已经开发出更简化的方法生产合成肽与类似天然序列。大量研究表明，将多巴和组氨酸等官能团置于它们进化的原生序列中，而不是仅仅分离官能团，可以显著提高性能。同样，与仅基于组氨酸咪唑侧链的配位相比，放置在其原生序列中的组氨酸残基可用于增强和调节金属结合行为。虽然生物技术方法通过更紧密地模仿天然蛋白质前体改进了性能，但是同样面临丝蛋白重组表达相关的问题，包括产量低，翻译后修饰，以及相对较高的成本。
　　图3 基于贻贝开发的材料。
　　在这篇综述中，作者已经证明了大自然为制造高分子材料的绿色方式提供了蓝图。强调了几种生物材料，包括蜘蛛丝、贝丝、盲鳗黏液、丝绒虫黏液和槲寄生黏液，作为下一代高性能纤维制造的潜在榜样。从这些系统中，作者试图提取出超越个体有机体的自我组装的共同原则。事实上，远亲生物之间相似机制的出现表明独立进化趋于一个共同的解决方案。通过仔细研究这些组装机制在单个系统中的细微差别，可以提取基本的物理和化学设计原则，可以传递给工程师进行生物灵感材料的制造。特别是，作者认为在LC/LLPS领域和微流体/增材制造领域有极好的潜力。尽管如此，通往成功模仿生物材料组装过程的道路充满了必须克服的挑战。这包括在制造过程中获得对化学条件细微变化的时空控制，最值得注意的是，需要升级这些工艺。第一个挑战是技术上的挑战，可以通过联合工程师、聚合物化学家和生物学家来开发更接近自然系统的纤维纺丝工艺来解决，这种工艺也可以在工业规模上使用。理想情况下，这些系统可以控制离子梯度、pH值和剪切力，并且可以通过开发适当的微流体设备来实现。扩大生物分子或仿生前体生产的第二个挑战可能也需要来自不同科学领域的努力，包括蛋白质工程，可以在连续过程中产生高蛋白质产量的新型宿主系统的工程，以及允许生产原生折叠和功能重组蛋白质的低成本下游工艺的开发。
　　文章来源：https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00465
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