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科學家們一直致力于尋找如何開發出與生物一樣有活力的材料。這種材料可具有改變形狀、可移動和可逆轉改變性質的能力。
以大自然為靈感，西北大學的科學家們研發出一種軟性材料。這種材料可自動組裝成分子超結構，并根據需要進行拆卸，從而改變材料性質。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屬性集，”該論文的共同作者Samuel I. Stupp說道。“而現在我們已經證明：我們可以創造出具有高度活性的合成材料，該材料可以通過形成超結構來改造自身形態并能根據需要進行可逆轉換。這是一個真正具有深遠意義的突破。”
研究結果于10月4日發表于《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、醫學和生物醫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學教授兼主席，是共同通訊作者。
為研發得到該材料，Stupp和他的博士后研究員Ronit Freeman，現為北卡羅來納大學教堂山分校的副教授，開發了一些由肽（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。
含有數百萬個分子的DNA超結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，隨著超結構的形成，材料逐漸硬化。該材料的結構是分層的，這意味著它們包含有不同大小尺度的有序結構。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，但這樣的結構在合成材料中很難實現。
更好的是，研究人員發現：當他們添加一個簡單的DNA分子，可以破壞超結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。然后可以使用另一種類型的分子來重整含有超結構的硬化材料。這種可逆性之前從未實現過。
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構的創造。每次計算都會在西北大學的Quest超級計算機上花費數周時間，經過大量實驗，他們發現：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，像這樣的超結構可以在不存在DNA的情況下被創造出來。
緊接著Stupp和他的實驗室成員僅使用肽而不是DNA來創建相同的材料。 當研究人員在模仿DNA互補性的特定結構中使用具有相反電荷的肽時，他們發現它們自組裝成超結構，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藥及其他領域。蛋白質、抗體、藥物甚至基因的復雜療法都可以存儲在超結構中，并隨著層次結構消失而按需釋放到體內。 Stupp說，科學家們還可以尋找可逆超結構導致電子、光學或機械性能甚至顏色和光發射變化的新材料。
“現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'材料。這些材料可根據需要進行內部重組以改變屬性，”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細胞與神經元相關聯并將其應用于新材料。星形膠質細胞十分重要，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，并產生致密纖維網絡疤痕。在健康大腦中，星形膠質細胞具有“幼稚表型”和不同形狀。
有趣的是，當研究人員將星形膠質細胞放在僅有簡單細絲的材料上時，星形膠質細胞具有幼稚的表型。但當其形成超結構時，它們變得具有反應性。然后，當分層結構被拆解時，他們又返回到幼稚表型。這一發現將細胞微環境的結構與中樞神經系統損傷和疾病中表型的這些關鍵變化聯系在一起。
生物學家最近發現，通過將這些反應性星形膠質細胞移植到沒有受傷的健康受試者中，可以將這些反應性星形膠質細胞恢復到幼稚狀態。但Stupp和他的合作者發現：新材料會觸發腦細胞中的這些表型轉化。
“細胞對環境中材料的結構做出了反應，”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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