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AM(IF=32)| 南开大学郭玮炜团队开发新的水凝胶系统,热刺激响应实现生物大分子物质的递送

2022/11/1 9:24:43  阅读:239 发布者:

尽管智能水凝胶在生物传感和生物医学应用方面应用前景广阔,但它们对外部刺激的响应受水凝胶和环境之间、三维水凝胶基质内的被动扩散依赖性物质传输控制,导致对生物大分子的响应缓慢,限制了其广泛应用。

20221021日,南开大学郭玮炜团队在Advanced Materials 在线发表题为“Fast Transport and Transformation of Biomacromolecular Substances via Thermo-Stimulated Active Inhalation-Exhalation Cycles of Hierarchically Structured Smart pNIPAM-DNA Hydrogels”的研究论文,受生物体呼吸系统的启发,该研究展示了一种通过水凝胶基质的热刺激吸气-呼气循环实现高效生物分子物质转运的主动机制。由功能性DNA连接的pNIPAM网络和含水大孔通道组成的低温结构pNIPAM-DNA水凝胶表现出快速的热触发和可逆的收缩/膨胀循环,具有高体积变化,其驱动动态水流的形成,加速外部物质的摄入和内源性物质的排出,从而促进水凝胶系统的功能特性。

通过催化脱氧核酶和CRISPR-Cas12a结合的水凝胶系统证明,在引入主动吸气-呼气循环后,催化效率分别显著提高了280%390%。此外,在将近红外响应的MXene纳米片引入水凝胶基质后,实现了远程近红外触发吸气-呼气循环。总之,这些具有增强的物质运输和转化特性的水凝胶系统在开发更有效的生物传感、诊断和受控递送系统方面前景广阔。

智能水凝胶可以对特定的外部刺激做出响应,并经历剧烈的体积变化或水凝胶到溶液的相变。因为它们在生物传感、诊断、药物输送、催化、软机器人和人造器官等各种应用中的巨大潜力,在过去几十年中受到广泛关注。特别是,在水凝胶基质中引入功能性DNA单元可以产生具有多种靶向响应或催化性质、优异的生物相容性和固有的生物降解性的智能水凝胶。通过对功能性DNA单元的序列进行编程,DNA水凝胶可以对多种类型的刺激做出高特异性的响应,如pH、金属离子、小分子、核酸、酶甚至细胞,因此在生物传感和生物医学应用中具有巨大的前景。

智能水凝胶对外部化学或生物刺激的响应依赖于外部物质和水凝胶基质内的功能结构之间的相互作用,因此水凝胶基质和外部环境之间的物质运输在影响水凝胶的响应特性方面起着关键作用,这也决定了基于水凝胶的应用系统的效率。然而,由于水凝胶基质中的三维交联聚合物网络和大多数水分子的束缚性质,水凝胶对外部刺激的响应速度受到外部物质浓度梯度驱动的被动扩散过程的限制。此外,水凝胶网络相对较小的孔径使得生物大分子(如核酸和蛋白质)的运输更具挑战性,

因此,基于水凝胶的系统对生物大分子刺激的响应速度非常慢,这严重限制了它们的实际应用。相关学者已经通过各种方法来提高智能水凝胶的响应特性,大多数策略集中在具有多孔结构的水凝胶基质构建或减小水凝胶基质的尺寸,但水凝胶响应速率的提高仍然有限,并且这些过程经常导致不可避免的损失机械性能。因此,增强智能水凝胶响应特性的新策略仍有待开发。

在自然界中,生物进化出主动的能力来实现高效的物质运输和与外界环境的交换,以维持代谢过程。具体而言,哺乳动物已经进化出高效的主动呼吸系统,其中肺作为主要器官来实现与外部大气的气体交换。在肺的主动收缩和扩张的驱动下,可以形成动态气流,通过该气流从大气中吸入新鲜空气,并到达肺中肺泡的气体交换单元,在此发生二氧化碳-氧气的气体交换过程,然后将废气呼出到大气中。智能水凝胶利用其刺激响应膨胀/收缩行为、类似组织的湿润和柔软性质以及多功能功能结构,还能够模仿不同的生物特征和过程,从细胞外基质的物理化学性质到一些复杂的生物行为,如主动形状变形和运动。例如,在重复机械训练下,水凝胶系统在强度和大小方面表现出持续的自我生长,这通常是活生物体肌肉组织的固有行为,基于此已经成功开发了水凝胶系统。

此外,与天然组织类似,智能水凝胶在刺激触发的膨胀/收缩过程中可以表现出显著的动态体积变化。例如,由典型的热敏聚合物聚(N-异丙基丙烯酰胺)(pNIPAM)组成的水凝胶可以在室温下超过80%体积的水中可逆地溶胀,然后在高于较低临界溶解温度(LCST, 32)的温度下释放保留的水,产生脱水的固体状态。周期性刺激触发的可逆高体积比膨胀/收缩过程具有在水凝胶基质和周围溶液之间驱动动态水流形成的潜力,从而模仿活生物体的主动吸入-呼出过程,以实现与外部环境的高效交换,这尚未被探索。

pNIPAM-DNA水凝胶热刺激循环收缩/膨胀主动增强的物质运输和转化的示意图(摘自Advanced Materials

该研究展示了一种受生物呼吸系统启发的主动策略,以实现基于智能DNA水凝胶系统的快速热触发和高体积比的收缩/膨胀循环,使生物大分子物质运输和转化显著增强。由功能性DNA束缚的pNIPAM网络和互连的大孔通道组成的分级结构的pNIPAM-DNA水凝胶,在一分钟内发生80%的体积变化。

在此期间,水凝胶基质可逆地吸收和释放水,导致在水凝胶基质和周围溶液之间形成动态水流。并且在动态水流的驱动下,溶液中的外部物质特别是生物大分子物质如蛋白质和核酸可被主动引入水凝胶基质中,与锚定在DNA水凝胶网络上的功能性DNA或酶相互作用,所得产物可被主动排到周围的溶液中。两个示例性功能DNA系统,包括显示Mg2+依赖性RNA切割活性的催化DNA系统和CRISPR-Cas系统,被引入到DNA水凝胶基质中,以证明活性策略对物质转运和转化机制的有效性。总之,这些具有增强的物质运输和转化特性的水凝胶系统在开发更有效的生物传感、诊断和受控递送系统方面前景广阔。

参考消息:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202206302

转自:iNature”微信公众号

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