我們都見過蜘蛛網(wǎng)，蜘蛛網(wǎng)是由蜘蛛吐絲形成的，無論什么飛蟲，一旦撞上便很難逃走。據(jù)報道，組成蜘蛛網(wǎng)的蛛絲是鋼的五倍，已被美國軍方考慮生產(chǎn)防彈衣的材料。自然形成的蜘蛛絲中是一種基于天然多肽的結(jié)構(gòu)，其優(yōu)異的力學(xué)性歸因于多肽內(nèi)氨基酸的空間排列，通過以疏水氨基酸殘基（即丙氨酸）為主的氫鍵排列形成高階β-折疊結(jié)構(gòu)。圍繞這些β-折疊結(jié)構(gòu)的是一種半非晶態(tài)、高度可延伸的富含甘氨酸區(qū)域的排列，特殊的排列方式（成分和空間）使得蜘蛛絲顯示出難以置信的韌性——拉伸強度在0.88–1.5?GPa之間，斷裂伸長率為21–27%。這種不可思議的機械潛力引起了人們對多肽在合成材料（如水凝膠、薄膜和纖維）中的廣泛應(yīng)用的極大興趣，其中包括組織工程和藥物傳遞。
在合成β-折疊形成肽時，無論是合成工藝還是分子組成都需要慎重考慮。通過轉(zhuǎn)基因微生物合成和固態(tài)合成都是生產(chǎn)肽的常用方法，但前者需要對肽序列的基因來源有敏銳的認(rèn)識，后者則僅限于制備短鏈肽。N-羧基環(huán)內(nèi)酸酐開環(huán)聚合（NCA?ROP）是一種較為廉價和簡單的合成大量多肽的方法，具有更大的潛力來產(chǎn)生長鏈多肽。在設(shè)計β-折疊形成的多肽時，疏水締合的控制是基本的，但在實驗室很難實現(xiàn)。這通常會導(dǎo)致不明確、不受控制且不易溶解的聚集體，極大地影響所形成結(jié)構(gòu)（例如體相水凝膠）的機械潛力。
一般來說，通常用于緩解疏水殘基不受控制的締合和不可用聚集體的嘗試是引入了高比例的親水組分形成多肽，在隨后的將肽并入水凝膠中采用grafting-to法，但由于疏水締合的破壞，加入它們對多肽的機械潛力極為不利。天然蜘蛛絲在天然絲纖維生產(chǎn)過程中使用丙氨酸模塊形成β折疊，這涉及到特定的環(huán)境變化以促進(jìn)β折疊的形成。然而，丙氨酸在低分子量（小模塊）下形成β折疊，但高分子量（大模塊）下則形成α螺旋。
在此，澳大利亞墨爾本大學(xué)Greg G. Qiao教授課題組報告了一種通過創(chuàng)造局部β折疊區(qū)的簡單方法來模擬蜘蛛絲，使形成的塊狀水凝膠具有優(yōu)越的力學(xué)性能。在水凝膠和晶膠的聚合物主鏈中引入側(cè)鏈氨基以啟動引導(dǎo)NCA ROP，使得這些β折疊域采用能使這些納米晶體得到有效利用的構(gòu)象。這種方法得到平均高達(dá)79個重復(fù)單元的長鏈聚纈氨酸接枝物，進(jìn)而形成連續(xù)的β折疊納米晶網(wǎng)絡(luò)。實驗得到的水凝膠抗壓強度增加了3個數(shù)量級，達(dá)到9.9?MPa，而晶膠的抗壓強度增加了2個數(shù)量級，達(dá)到30?MPa。此外，這些網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)可以很容易地使用甘氨酸進(jìn)行調(diào)整，聚（纈氨酸-r-甘氨酸）接枝物使得壓縮性從40%增加到60%，而沒有明顯的韌性損失。該網(wǎng)絡(luò)顯示在28天內(nèi)對強酸、強堿和蛋白質(zhì)變性劑的抗腐蝕性有所提高。這種簡單的方法為制備獨特的帶有β折疊的雜化網(wǎng)絡(luò)提供了強有力的工具，并可進(jìn)一步用于調(diào)節(jié)其他用于生物醫(yī)學(xué)功能和材料科學(xué)的水凝膠的機械性能和降解性能。相關(guān)工作以“Spider-silk inspired polymeric networks by harnessing the mechanical potential of β-sheets through network guided assembly”為題發(fā)表在Nature Communications上。
圖文速遞
aNCA單體的轉(zhuǎn)化率根據(jù)方法中所規(guī)定的剩余NCA單體與溶劑特征峰的積分比校準(zhǔn)曲線，采用1H NMR測定。正負(fù)誤差基于標(biāo)準(zhǔn)差（n?=?3）。
b平均DP是網(wǎng)絡(luò)主鏈每一個-NH2基團的接枝Val重復(fù)單元的平均數(shù)，由初始網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)換的Val NCA和-NH2組之間的摩爾比估計（假設(shè)整個網(wǎng)絡(luò)的引發(fā)效率和聚合速率相同）。
