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科學家們一直致力于尋找如何開發(fā)出與生物一樣有活力的材料。這種材料可具有改變形狀、可移動和可逆轉(zhuǎn)改變性質(zhì)的能力。
以大自然為靈感，西北大學的科學家們研發(fā)出一種軟性材料。這種材料可自動組裝成分子超結(jié)構，并根據(jù)需要進行拆卸，從而改變材料性質(zhì)。該材料為傳感器和機器人等應用打開大門，比如可應用于組織再生的藥物傳輸系統(tǒng)和工具。
這種具有高度活性的新材料形成了水凝膠。當其超結(jié)構顯示出損傷或健康腦組織的腦細胞可逆表型時，它們能夠提供關于損傷或病后大腦微環(huán)境意想不到的生物學線索。
“我們習慣于將材料視為具有靜態(tài)屬性集，”該論文的共同作者Samuel I. Stupp說道。“而現(xiàn)在我們已經(jīng)證明：我們可以創(chuàng)造出具有高度活性的合成材料，該材料可以通過形成超結(jié)構來改造自身形態(tài)并能根據(jù)需要進行可逆轉(zhuǎn)換。這是一個真正具有深遠意義的突破。”
研究結(jié)果于10月4日發(fā)表于《科學》雜志。作者之一Stupp是西北大學Simpson Querrey研究所主任，也是材料科學與工程、化學、醫(yī)學和生物醫(yī)學工程的董事會教授。另外，Erik Luijten，材料科學與工程與工程科學與應用數(shù)學教授兼主席，是共同通訊作者。
為研發(fā)得到該材料，Stupp和他的博士后研究員Ronit Freeman，現(xiàn)為北卡羅來納大學教堂山分校的副教授，開發(fā)了一些由肽（氨基酸化合物）和其他由肽和DNA組成的分子。當將其放在一起時，這兩種類型的分子共同組裝形成水溶性納米級長絲。
當含有可形成雙螺旋互補DNA序列的細絲混合時，可產(chǎn)生雙螺旋的含DNA分子“跳出”它們的細絲以形成獨特的復雜超結(jié)構。最后留下了不含DNA的分子，這些分子形成了簡單的細絲。
含有數(shù)百萬個分子的DNA超結(jié)構看起來像扭曲的細絲束，其長度和寬度均達到微米級。所得材料最初是軟水凝膠，隨著超結(jié)構的形成，材料逐漸硬化。該材料的結(jié)構是分層的，這意味著它們包含有不同大小尺度的有序結(jié)構。大自然在這方面做得非常好，比如骨骼、肌肉和木材就是分層材料，但這樣的結(jié)構在合成材料中很難實現(xiàn)。
更好的是，研究人員發(fā)現(xiàn)：當他們添加一個簡單的DNA分子，可以破壞超結(jié)構中細絲互連的雙螺旋時，細絲束就會松開，從而使材料恢復到其初始較軟的狀態(tài)。然后可以使用另一種類型的分子來重整含有超結(jié)構的硬化材料。這種可逆性之前從未實現(xiàn)過。
為了更好地理解這個過程是如何運行的，Stupp與計算材料科學家Luijten一同進行了研究。Luijten和他的研究生Ming Han一起開發(fā)了模擬技術，幫助解釋了線束如何以及為什么形成和扭曲的機制。在該模擬中，Han和Luijten可研究設計分子的每個部分如何控制超結(jié)構的創(chuàng)造。每次計算都會在西北大學的Quest超級計算機上花費數(shù)周時間，經(jīng)過大量實驗，他們發(fā)現(xiàn)：這些分子不需要DNA捆綁在一起，但原則上可以由許多其他分子對形成。這些分子具有相互作用強烈的化學結(jié)構。
Luijten說：“基于我們對這種機制的理解，我們預測只要細絲表面帶有正電荷和負電荷就足夠了。”這意味著在完全合成的材料中，像這樣的超結(jié)構可以在不存在DNA的情況下被創(chuàng)造出來。
緊接著Stupp和他的實驗室成員僅使用肽而不是DNA來創(chuàng)建相同的材料。 當研究人員在模仿DNA互補性的特定結(jié)構中使用具有相反電荷的肽時，他們發(fā)現(xiàn)它們自組裝成超結(jié)構，當電荷被中和時也是可逆的。
這些材料的潛在用途可擴展到醫(yī)藥及其他領域。蛋白質(zhì)、抗體、藥物甚至基因的復雜療法都可以存儲在超結(jié)構中，并隨著層次結(jié)構消失而按需釋放到體內(nèi)。 Stupp說，科學家們還可以尋找可逆超結(jié)構導致電子、光學或機械性能甚至顏色和光發(fā)射變化的新材料。
“現(xiàn)在我們知道這是可能的，其他科學家可利用他們的想象力設計新的分子來尋找這些新的'動態(tài)'材料。這些材料可根據(jù)需要進行內(nèi)部重組以改變屬性，”他說道。
新材料也引領研究人員進行生物學探究。他們將大腦和脊髓中的星形膠質(zhì)細胞與神經(jīng)元相關聯(lián)并將其應用于新材料。星形膠質(zhì)細胞十分重要，因為當大腦或脊髓受傷或患病時，它們會獲得一種稱為“反應性表型”的特定形狀，并產(chǎn)生致密纖維網(wǎng)絡疤痕。在健康大腦中，星形膠質(zhì)細胞具有“幼稚表型”和不同形狀。
有趣的是，當研究人員將星形膠質(zhì)細胞放在僅有簡單細絲的材料上時，星形膠質(zhì)細胞具有幼稚的表型。但當其形成超結(jié)構時，它們變得具有反應性。然后，當分層結(jié)構被拆解時，他們又返回到幼稚表型。這一發(fā)現(xiàn)將細胞微環(huán)境的結(jié)構與中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷和疾病中表型的這些關鍵變化聯(lián)系在一起。
生物學家最近發(fā)現(xiàn)，通過將這些反應性星形膠質(zhì)細胞移植到?jīng)]有受傷的健康受試者中，可以將這些反應性星形膠質(zhì)細胞恢復到幼稚狀態(tài)。但Stupp和他的合作者發(fā)現(xiàn)：新材料會觸發(fā)腦細胞中的這些表型轉(zhuǎn)化。
“細胞對環(huán)境中材料的結(jié)構做出了反應，”Stupp說。“它給我們提供了新的想法，可以幫助我們了解如何消除受傷或患病的大腦和脊髓中的疤痕。”
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