强弱键协同的全蛋白质水凝胶机械改性机制及构效关系研究

Biomaterials are key to the success of tissue engineering. Entirely protein based hydrogels provide an ideal platform for engineering the materials’ mechanical properties and biological activities on the genetic level. This proposal utilizes the mutually orthogonal protein-protein heterodimerization with tunable strengths and protein topology engineering to develop protein hydrogels mechanically reinforced by the strong-bond/weak-bond synergy. Through varying the orthogonal interactions and the network topology, tough hydrogels with rich cell-materials interaction will be developed and the structure-property relationship will be elucidated to provide model hydrogels for controlling the fates of encapsulated stem cells. The study will pave a solid pathway to the final applications in tissue engineering and cell biology.

生物材料是组织工程中的关键因素，而全蛋白质水凝胶则提供了一个有望在基因层次上编辑其宏观机械性能和生物活性的理想材料平台。本项目拟基于多种彼此正交的、强弱可调的蛋白-蛋白相互作用力，结合蛋白质拓扑工程，发展强弱键协同机械改性的全蛋白质水凝胶。使其兼具良好的生物活性和可控的机械性能，并通过变换网络的拓扑结构、相互作用的强弱以及整体组成，探索其宏观性质与微观结构之间的关系，阐明其结构性能关系。解决合成高分子水凝胶中强弱键协同作用不太明朗的科学问题，并提供模型的细胞支架材料以精确调控干细胞分化行为，为最终的组织工程与细胞生物学应用奠定坚实的基础。

本项目旨在构建可基因层次上编辑其宏观机械性能和生物活性的全蛋白质水凝胶。我们围绕蛋白质反应对的构建、水凝胶机械性能调控及发展功能性水凝胶的主题开展了一系列的工作，主要集中在发展新型蛋白质化学方法以及功能基元，控制和实现蛋白质水凝胶制备过程中物理交联和化学交联的协调，分析其构效关系，并尝试其用于细胞行为的调控。我们按原定研究计划开展工作，并在此基础上做了更多有意义的探索，采用一步法得到兼具良好抗菌性能、强粘度性、高机械性能、灵敏的监测性能的多功能双网络导电水凝胶材料，并且得到了可在极端环境下加速伤口愈合的生物相容性良好的水凝胶体系。总体而言，在本项目资助下，我们做出了一批富有启发性的研究成果，已在国内外知名学术期刊上发表了9篇论文，申请5项发明专利，授权3项，获得奖励4项，良好地完成了项目目标。