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  近日上�？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院凌盛杰教授課題組與加州大學(xué)伯克利分校Grace X. Gu教授及康奈爾大學(xué)的Jingjie Yeo教授合作，利用二元溶劑交換誘導(dǎo)自組裝法（BSEISA）制備出雙折射絲蛋白水凝膠（BSEISA-SFHs）。應(yīng)力場下該凝膠雙折射條紋的動態(tài)演變與其內(nèi)部應(yīng)力分布變化一致，具有揭示生物組織力學(xué)行為的潛力。該研究成果以“Birefringent silk fibroin hydrogel constructed via binary solvent exchange induced self-assembly”為題發(fā)表于國際期刊Biomacromolecules上。

  各向異性材料或者某些各向同性材料在力場、電場或磁場的作用下時具有雙折射效應(yīng)，在偏振光下會顯現(xiàn)出獨(dú)特的顏色，可用來揭示材料內(nèi)部的取向程度或者應(yīng)力分布情況。生物組織的內(nèi)部應(yīng)力分布對于組織工程及人造器官等領(lǐng)域較為重要，但目前市場上大多使用的是硬質(zhì)雙折射材料，其力學(xué)性能與生物組織不相匹配。因此設(shè)計開發(fā)出一種力學(xué)性能與生物組織相接近的雙折射水凝膠具有重要意義。基于以上背景，這項研究中合理設(shè)計了一種“雙溶劑交換誘導(dǎo)自組裝”的雙折射蠶絲蛋白水凝膠的生產(chǎn)策略。使得控制蠶絲蛋白的構(gòu)象和取向提供了可能，合成的材料透明且具有雙折射特性，具有類似于生物組織（如軟骨）的機(jī)械特性。有望成為了解生物組織力學(xué)響應(yīng)的良好模型。

  凌盛杰教授課題組首先設(shè)計了二元溶劑交換誘導(dǎo)自組裝的方法，其中離子液體（[BMIM]Cl）作為第一種溶劑溶解蠶絲，并選用具有合適的誘導(dǎo)絲蛋白構(gòu)象轉(zhuǎn)變速度且與[BMIM]Cl互溶的溶劑作為第二種溶劑，誘導(dǎo)自組裝形成BSEISA-SFHs。

BSEISA-SFHs的制備過程及結(jié)構(gòu)表征。（A）BSEISA-SFHs的制備方法示意圖。（B）凝膠過程二元溶劑交換誘導(dǎo)自組裝示意圖。（C）偏光下BSEISA-SFHs照片。（D）BSEISA-SFHs的斷面SEM圖像。

  合作者Jingjie Yeo教授團(tuán)隊通過replica exchange molecular dynamics (REMD)模擬探究絲蛋白在[BMIM]Cl/ CH₃OH和[BMIM]Cl/ HCOOH體系中的變化情況，與后者相比，[BMIM]Cl/ CH₃OH體系具有更高的β-折疊含量以及更低的回轉(zhuǎn)半徑和溶劑可及表面積，得到的BSEISA-SFHs結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。因此[BMIM]Cl/ CH₃OH最終被選用為所使用的二元溶劑體系，其所制備出的BSEISA-SFHs孔徑為7-10 μm，滿足實現(xiàn)光學(xué)透明所需要的條件；同時甲醇蒸汽的定向滲透以及較為緩慢的構(gòu)象轉(zhuǎn)變速度有利于各向異性結(jié)構(gòu)的形成，二者共同為實現(xiàn)雙折射水凝膠提供了光學(xué)條件和結(jié)構(gòu)特性。

REMD模擬探究BSEISA對絲蛋白結(jié)構(gòu)的影響。（A） 絲蛋白在各自溶劑中的有序結(jié)構(gòu)的百分比，其余為無序結(jié)構(gòu)（未顯示）以及它們的（B）旋轉(zhuǎn)半徑。（C）溶劑可達(dá)表面積，（D）分子間和分子內(nèi)氫鍵的數(shù)目。（E-G）樣品與（E） [BMIM]Cl反應(yīng)，然后加入（F）甲酸或（G）甲醇后最密集團(tuán)簇的構(gòu)象。

  研究中對所制備出的BSEISA-SFHs進(jìn)行力學(xué)測試并與生物組織的力學(xué)性能進(jìn)行對比。實驗證明，BSEISA-SFHs的彈性模量和斷裂應(yīng)變與皮膚、軟骨以及晶狀體等生物組織能夠很好地匹配，并且其還能夠承受一定程度的變形量，具有良好的形狀恢復(fù)性能和抗疲勞特性，這為其能成為組織替代物提供了力學(xué)條件。

  研究中進(jìn)一步對BSEISA-SFHs的雙折射特性進(jìn)行了系統(tǒng)探究。通過SAXS和WAXS證明了材料結(jié)構(gòu)的取向性，并且不同位置的取向度不同，進(jìn)而造成BSEISA-SFHs中不同位置顯現(xiàn)出不同的顏色。同時發(fā)現(xiàn)在拉伸過程中，這種由于外力造成的取向度改變使得雙折射條紋顏色也隨之變化，并且與合作者Grace X. Gu教授團(tuán)隊利用有限元分析得出的應(yīng)力分布情況是相吻合的，當(dāng)外部應(yīng)力去除時，雙折射條紋會回到其初始狀態(tài)。這種光學(xué)-力學(xué)相對應(yīng)的反應(yīng)和水凝膠的力學(xué)性能與生物組織相一致這一條件相結(jié)合，證明了BSEISA-SFHs具有作為生物組織替代物去揭示生物組織的力學(xué)響應(yīng)以及失效行為的潛力。

BSEISA-SFHs的結(jié)構(gòu)和雙折射特性。（A）BSEISA-SFHs的雙折射圖案和相應(yīng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)監(jiān)測。（B）WAXS的徑向赤道強(qiáng)度曲線和SAXS的方位角曲線。（C和D）有限元分析模擬的應(yīng)力分布和對應(yīng)的BSEISA-SFHs的雙折射條紋演變。左：應(yīng)變0%，右：應(yīng)變8%。

  本論文第一作者為上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院2019級研究生疏婷、安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林業(yè)與園林學(xué)院生物質(zhì)分子工程中心鄭可副教授及加州大學(xué)伯克利分校機(jī)械工程系張志洲，通訊作者是上�？萍即髮W(xué)凌盛杰教授、加州大學(xué)伯克利分校Grace X. Gu教授及康奈爾大學(xué)Jingjie Yeo教授。上�？萍即髮W(xué)為第一完成單位。該項研究得到了國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金的資助。同時得到上科大電鏡中心、上科大分析測試中心、上海同步輻射光源以及中國科技大學(xué)同步輻射實驗室（合肥國家同步輻射實驗室）的支持。

  文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.biomac.1c00065