《Acta Biomaterialia》：Conformation-driven mechanical duality: viscoelastic and poroelastic switching in protein hydrogels
编辑推荐：
推荐: 本文针对蛋白质结构如何影响水凝胶能量耗散机制的关键问题，以牛血清白蛋白（BSA）水凝胶为模型，系统研究了其在不同环境下的应力松弛行为。研究揭示，含有天然结构（native）的BSA水凝胶展现粘弹性松弛，而化学变性（denatured）的BSA水凝胶则呈现多孔弹性（poroelastic）耗散。这种由蛋白质构象驱动的耗散机制切换，为设计具有动态可调机械性能的智能生物材料提供了新概念和新框架，在组织工程等生物医学领域具有重要应用前景。
在生物材料的前沿领域，我们常常希望材料能像活体组织一样“聪明”，不仅能提供结构支持，还能感知并响应外界环境的机械变化。例如，在组织工程中，理想的支架材料可能需要模仿软骨的缓冲性能或肌肉的收缩特性。蛋白质水凝胶（PBHs）就是一类极具潜力的候选者，因为它们可以由具有复杂折叠结构的蛋白质构成，这些结构本身就能在力的作用下发生精巧的变化。然而，一个长期困扰研究者的核心问题是：蛋白质的“长相”（即其三级结构或构象），到底是如何从根本上决定了整个水凝胶网络在受力时如何“吸收”和“释放”能量的？是像揉捏一块缓慢回弹的橡皮泥（粘弹性），还是像挤压一块吸满水的海绵（多孔弹性）？理解这种底层物理机制，是设计下一代动态可调智能生物材料的基石。
为了解决这一关键问题，由Mattan Ze'ev Becker等研究人员在《Acta Biomaterialia》上发表的研究，利用牛血清白蛋白（BSA）这一经典模型蛋白，构建了化学交联的蛋白质水凝胶。他们巧妙地通过改变浸泡水凝胶的溶液环境（如使用变性剂盐酸胍GuHCl或还原剂DTT），来精确控制水凝胶网络中每个BSA蛋白单元的构象状态——是保持其紧密的天然折叠结构，还是被打开变成松散的无规卷曲。随后，研究人员利用原子力显微镜（AFM），以微小球形探针对这些处于不同状态的水凝胶进行“戳压”并保持压力，精细测量了其应力随时间松弛的过程。通过分析松弛曲线是否与压痕尺寸相关，他们可以清晰地区分能量耗散是源于内部蛋白质链的重排（粘弹性），还是源于溶剂在变形网络中的迁移（多孔弹性）。
这项研究的主要技术方法包括：1) 蛋白质水凝胶的化学交联制备：采用光催化交联“Fancy”方法，通过酪氨酸残基共价连接制备BSA水凝胶。2) 原子力显微镜（AFM）微力学测试：使用带有球形胶体探针的AFM，在水合状态下对水凝胶样品进行应力松弛实验，采集大量力.
研究结果:
- •
方法验证与数据分析软件（DigiGel）开发：研究首先在已知性质的干态PDMS（粘弹性）和溶胀的聚丙烯酰胺PAAm水凝胶（多孔弹性）上验证了AFM微压痕应力松弛分析方法的可靠性。为了高效处理海量的AFM力谱图数据，研究者开发了名为 DigiGel的Python数据分析软件，它能够自动筛选数据、计算压痕参数，并执行后续的粘弹性与多孔弹性模型拟合与分析。
- •
蛋白质构象状态决定耗散机制：对BSA水凝胶的系统测试揭示了其力学行为的“二元性”：
- •
在天然及还原（含DTT）环境中：BSA保持其折叠结构，水凝胶的归一化松弛曲线与压痕尺寸无关，表明其主导耗散机制为粘弹性。拟合得到的分数阶粘弹性模型参数显示，还原处理（打断二硫键）使水凝胶刚度略有下降，粘性耗散略微增加。
- •
在变性（含GuHCl）及变性-还原（含GuHCl和DTT）环境中：BSA三级结构被破坏，水凝胶的归一化松弛曲线仅在将时间除以压痕接触半径a的平方（t/a2）后才发生重叠，这是多孔弹性的典型特征。拟合分析获得了其排水基质剪切模量G、泊松比νd和有效多孔弹性扩散系数Dp。完全变性（变性-还原）状态的水凝胶最软，其刚度相比天然状态下降了一个数量级。
- •
刚度变化的直接证据：快速压痕实验直观表明，从天然状态到还原态，再到变性态，BSA水凝胶的刚度依次显著降低，变性处理对软化的影响尤为显著。
结论与意义：
该研究清晰地证明，在同一种蛋白质水凝胶材料中，其宏观力学耗散行为完全由构建单元——蛋白质的分子构象所主宰。当蛋白质维持其天然折叠的球状结构时，水凝胶通过蛋白质结构域的可逆力致去折叠与重折叠来耗散能量，表现为粘弹性。一旦蛋白质被化学变性，其三级结构瓦解，交联网络之间的多肽链表现为柔性聚合物，此时水凝胶的力学响应转变为由溶剂在变形网络中的迁移所主导的多孔弹性。这种 “构象驱动的力学二元性” 是可逆且可切换的，仅通过改变化学环境即可实现。
这一发现具有重要的理论和应用意义。在理论上，它将蛋白质的结构生物学特性（折叠/去折叠）与软物质的宏观连续介质力学（粘弹性/多孔弹性）直接联系起来，为理解蛋白质基材料的力学行为提供了一个跨越尺度的统一概念框架。在应用上，它启发了“状态依赖”智能生物材料的设计新思路。例如，可以设想一种水凝胶，在生理环境中（蛋白质折叠）表现出坚韧和能量耗散的粘弹性，适用于承重组织修复；而在特定病理或治疗微环境中（如特定酶或pH导致局部蛋白变性），其力学行为可切换为更易于重塑的多孔弹性，从而适应不同的生物力学需求或实现可控的药物释放。这项研究因此为组织工程、再生医学及软物质工程领域开发新一代动态响应型生物材料开辟了新的途径。
