中國科學院深圳先進技術研究院戴卓君課題組與劉志遠課題組合作，提出了一種全新的可快速修復的活體材料構建思路，并進一步將其轉化成一種普適的活體材料組合方法，推廣應用于智能制造及可穿戴設備的組裝等全新領域。近日，相關成果發表于《自然—化學生物學》。

該成果是研究團隊在合成生物學領域融合生物技術(BT)與信息技術(IT)的一次新嘗試。

實現強大的自修復能力

自修復材料并非是近些年來才提出的概念。此前，美國某服飾品牌就推出過能自動修復的衣服材料，其原理非常簡單——通過提高線的強度，使插入的鐵釘不能將線割斷而只是把線撥開。但這樣的材料局限性很大，面對銳器等造成的割裂，其修復功能便不能發揮。

此后，科學家將目光投向紡織品的涂層材料。魷魚的環齒(SRT)蛋白具有“自愈”性能，在覆蓋SRT蛋白涂層的紡織品上滴幾滴溫水，再把斷面重疊、按壓60秒左右，斷面就會重新連接。

然而，這一材料與理想的自修復材料仍有很大差距。簡單來說，一方面，這樣的修復方式無法使斷裂面通過自修復而彌合;另一方面，提純后的蛋白材料也不再具有活細胞可編程的特性。

合成生物學的快速發展，使得利用智能生物活體材料實現自修復成為可能。不過，傳統的活體材料依靠微生物的生長繁殖實現自修復，這一過程往往耗費數十小時甚至幾天的時間，漫長的修復時間極大限制了其應用。

這一次，研究團隊決定從修復原理上另辟蹊徑。

通常，抗原和抗體分子在結構上具有一定的互補性，它們通過分子間的作用力形成非共價結合，在極短時間內就可發生特異的相互作用而穩定結合。這種結合力可在外力破壞后迅速還原，快速實現自修復。

“基于這一原理，我們分別構建了表面有抗原和納米抗體的兩種工程菌株，再以一定比例將兩種菌株混合，通過抗原—抗體間的快速相互作用，制備出了穩定的、具有高效自修復能力的LAMBA前體材料。”論文共同通訊作者戴卓君告訴《中國科學報》。

由于LAMBA前體材料性質與水凝膠相近，因此，通過傳統的材料加工工藝(如3D打印、微流控等)，就可以將LAMBA材料加工成形態、性能各異的材料。

“可編程”活體材料讓設備更智能

生物活體材料最大的優勢之一就在于微生物強大的可編程能力。

“一方面，我們通過在兩種工程細菌表面展示酶和納米催化劑并將其制成LAMBA材料，成功地將農藥的主要成分對氧磷降解為低毒害的對氨基苯酚。另一方面，我們在一種細菌表面展示淀粉水解酶、在另一種細菌胞內表達海藻糖合成酶，這樣一來，淀粉先被淀粉水解酶轉化為麥芽糖，然后麥芽糖作為底物再被運輸到另一種工程菌胞內被海藻糖合成酶轉化為海藻糖。”戴卓君說。

受LAMBA材料具備的超強自修復能力以及智能編程能力的啟發，研究團隊進一步對其在可穿戴設備和生物傳感器上的應用進行了探究。

可穿戴設備通過檢測人體基本生理信號達到日常健康檢測、康復治療輔助等效果，良好的拉伸性能和導電性能，是其正常運行的必要前提。研究團隊通過測驗發現，即使經過反復循環拉伸，LAMBA材料的導電性能依然維持穩定。在被破壞后，只需幾分鐘，LAMBA材料便會恢復原有性能。

此外，研究還顯示，柔性LAMBA電生理傳感器可準確捕捉肌肉電信號，相比于相同方法制備的單菌或金薄膜傳感器，其顯示了更好的信噪比。

“作為柔性材料，LAMBA在應變傳感器的制備中也具有顯著優勢，與金薄膜制成的傳感器相比，柔性LAMBA應變傳感器能更加均勻地反映形變程度。”戴卓君說。

BT與IT“碰撞”出無限可能

IT技術與BT技術是影響人類未來發展的兩大技術，一直以來，科學界與產業界對兩個領域相互融合、交叉研究充滿期待。

“我們希望通過該研究建立一種活體材料組裝新方法，在活體生物可編程的基礎上，引入高分子物理及化學合成理論，賦予微生物新的特性，使組裝的材料具有快速自愈合的特性。同時，我們初步嘗試了IT與BT的融合，也在推進其他相關的各項有趣研究，期待并相信合成生物能夠帶來無限可能。”戴卓君說。

中國科學院院士、上海交通大學教授樊春海表示，該工作在活體材料的設計與編輯中跨出了一大步。將高分子學科中積累的經典體系跨學科地引入合成生物學，提示在未來的活體材料設計中，可以學習和借鑒其他材料科學的優秀體系。

中國科學院院士、中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所首席科學家趙國屏表示，該成果聚焦活體功能材料領域，挑戰了活體材料分鐘內自愈這個單純依靠細胞分裂無法實現的難題。值得一提的是，該工作進一步將活體材料與多種可穿戴器件組裝在一起，如肌肉電信號傳感器以及壓力傳感器，突破了生命體與非生命器件的界限，拓展了活體材料的構建框架和應用領域，這是化學生物學及生物技術與材料科學和工程科學學科交叉“會聚”研究的一個范例。

研究人員表示，相信這種創新的“BT+IT”協同制造模式，必將帶來大的技術革新。(見習記者 刁雯蕙)

關鍵詞： 能自愈的活體材料 自修復能力 活體材料 可穿戴設備