向大自然偷师组装多功能材料

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        在人体中，胶原蛋白的重要作用可以说无处，无论是美容保养，还是生命健康。美国加利福尼亚大学伯克利分校开发出一种新奇的方法——“自模板材料组装”，即用一种良性的病毒——噬菌体作为工具，模拟胶原蛋白来组装具有复杂结构的功能材料，其制造成的特殊功能材料拥有可调节的光学、生物医学和机械性能。该研究发表在《自然》杂志上。

        “大自然有独特的能力，能用胶原蛋白、甲壳质和纤维素等非常基本的建材构造出具有各种功能的材料，我们从自然界获得了灵感。”该研究领导、伯克利分校生物工程副教授李承旭(音译)说，“我们发现了一种方法，能用螺旋状大分子模拟胶原蛋白，制造动植物体内复杂的、具有各种功能的组织材料。”

        胶原蛋白是构成各种细胞外间质的聚合物，在动物细胞中扮演结合组织的角色。它是动物体内含量最多的蛋白质，约占人体蛋白质的 25 ~ 35%，相当于人体重量的 6%，分布遍及全身各个组织器官，如骨胳、软骨、韧带、皮肤、角膜、各种内膜、筋膜等，尤其在人体的皮肤和结缔组织中，含有大量的胶原蛋白。

        研究人员介绍说，他们的技术要求把一片玻璃浸入病毒液中，然后以精确的速度缓慢拉出来，玻璃片上就附着上一层新鲜的病毒薄膜。拉出的速度可以在10微米/分钟到100微米/分钟，这样要1小时到10个小时能处理完一整张玻璃片。调整溶液中的病毒浓度和拉出速度，就能控制液体的黏性、表面张力和薄膜增长过程中的蒸发率，这些因素决定了病毒最终所形成的样式结构。

        研究小组已经利用该技术制造了3种完全不同的结构。比如用15毫克/毫升较低浓度的病毒溶液，能形成规则的条纹间隔，其中纤维彼此呈90度角;如果拉出速度更慢，会提高病毒运动、方向方面的物理参数，当它们附着在玻璃上时，就会自然地聚集在一起，绞成螺旋带状;而最复杂的结构就像“方便面”，所用的病毒浓度在4毫克/毫升到6毫克/毫升，研究人员利用美国劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源对其检测，发现这种高度有序化的结构能像棱镜一样弯曲光线，而这种弯曲方式是自然界或其他工程材料都没有的。

        这种简单便捷的特性，预示了它们有望在制造行业大显身手。人们设定了参数以后，组装过程就会自动进行而不用管它。李承旭说：“我们可以设定晚上开始，到第二天早上就有了几万亿的病毒纤维在基质上排成我们想要的样式。”

        这种病毒组装过程还能用于生物医疗领域。研究人员用基因工程让病毒表达一种特殊的多肽，来影响软硬组织的生长。用这种转基因病毒薄膜作为引导磷酸钙矿化作用的组织模板，生成了类似牙齿釉质的混合物，将来能作为一种可再生的组织材料。

        原文摘要：

        Biomimetic self-templating supramolecular structures

        Woo-Jae Chung, Jin-Woo Oh, Kyungwon Kwak, Byung Yang Lee, Joel Meyer, Eddie Wang,Alexander Hexemer & Seung-Wuk Lee

        In nature, helical macromolecules such as collagen, chitin and cellulose are critical to the morphogenesis and functionality of various hierarchically structured materials1, 2, 3. During tissue formation, these chiral macromolecules are secreted and undergo self-templating assembly, a process whereby multiple kinetic factors influence the assembly of the incoming building blocks to produce non-equilibrium structures1, 4. A single macromolecule can form diverse functional structures when self-templated under different conditions. Collagen type I, for instance, forms transparent corneal tissues from orthogonally aligned nematic fibres5, distinctively coloured skin tissues from cholesteric phase fibre bundles6, 7, and mineralized tissues from hierarchically organized fibres8. Nature’s self-templated materials surpass the functional and structural complexity achievable by current top-down and bottom-up fabrication methods9, 10, 11, 12. However, self-templating has not been thoroughly explored for engineering synthetic materials. Here we demonstrate the biomimetic, self-templating assembly of chiral colloidal particles (M13 phage) into functional materials. A single-step process produces long-range-ordered, supramolecular films showing multiple levels of hierarchical organization and helical twist. Three distinct supramolecular structures are created by this approach: nematic orthogonal twists, cholesteric helical ribbons and smectic helicolidal nanofilaments. Both chiral liquid crystalline phase transitions and competing interfacial forces at the interface are found to be critical factors in determining the morphology of the templated structures during assembly. The resulting materials show distinctive optical and photonic properties, functioning as chiral reflector/filters and structural colour matrices. In addition, M13 phages with genetically incorporated bioactive peptide ligands direct both soft and hard tissue growth in a hierarchically organized manner. Our assembly approach provides insight into the complexities of hierarchical assembly in nature and could be expanded to other chiral molecules to engineer sophisticated functional helical-twisted structures.