仿生合成強韌水凝膠將能修復人體

 
2017/06/08 賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組
歐陽盛菊 | 國立清華大學工業工程與工程管理研究所
歐陽盛芝 | 國立臺灣博物館
仿生短石蛾蟲絲的強韌水凝膠可用於組織工程及修復人體等(繪製者:王美乃)。 毛翅目幼蟲會以黏性蟲絲在水中建築各類型巢(圖片來源:歐陽盛芝)。
  • 仿生短石蛾蟲絲的強韌水凝膠可用於組織工程及修復人體等(繪製者:王美乃)。
  • 毛翅目幼蟲會以黏性蟲絲在水中建築各類型巢(圖片來源:歐陽盛芝)。
 

美國科學家透過研究短石蛾(Brachycentrus echo)蟲絲的增韌機制,已開發出能夠凝固、保持強韌性、適應水中的仿生合成新型雙網路(double-network)強韌水凝膠,韌性超過人類軟骨和膝關節半月板,具有應用於人體植入物的生物醫材潛力,未來將能應用於組織工程,開發修復人體組織和器官的醫療級商品,修復人體器官、肌腱、軟骨等軟組織,及運用於牙齒或髖骨、顏面骨、和顱骨等硬骨的重建手術。

 

毛翅目(Trichoptera)昆蟲是有名的水下建築師,依幼蟲吐絲織造的類型,可分為三個亞目,其中環鬚亞目(Annulipalpia)為庇護所建造者(retreat-maker),生活在以蟲絲黏結葉片、莖枝、或石頭等碎粒組成的固定式複合結構,這種縝密構造通常配備透過庇護所能從水中捕獲食物的絲網;尖鬚亞目(Spicipalpia)是造繭者(cocoon-maker),會建構封閉剛硬的絲巢化蛹;直鬚亞目(Integripalpia)為築巢者(case-maker),以蟲絲黏結葉片、莖枝、或石頭等碎粒建造複合管狀結構,隨身攜帶輕便的巢自由活動覓食,遭遇鱒魚和其他天敵時,這種偽裝具有良好的物理性保護作用。

 

短石蛾屬於直鬚亞目短石蛾科(Brachycentridae),分布於美國加州和猶他州,幼蟲體內具有絹絲腺製造絲液,會從吐絲器吐出由一對絲纖維組成的蟲絲,建構一個管狀巢藏身。猶他大學(University of Utah)斯圖爾特(Russell J. Stewart)教授領導的研究團隊在水族箱內放入玻璃珠取代天然材質,結果短石蛾幼蟲立即吐絲築出玻璃珠巢,並正常活動和覓食。他們分析蟲絲為一種堅韌的黏合纖維,部分增韌機制是因正二價鈣離子磷酸鹽(Ca2+-phosphate)與包括蟲絲主成分H-絲心蛋白(H-fibroin)的結構蛋白質交聯成奈米結構域(nano-domains)所致,因此建構一個精簡模型,以逆向工程技術(即對天然的蟲絲進行逆向分析及研究,演繹其處理流程、組織結構、和功能效能規格等,製作出功能相近的合成產品)測試蟲絲結構、金屬離子磷酸鹽相互作用、和機械化學增韌機制的假說,並發明一種仿生合成強韌水凝膠,成果發表於2015年9月《軟物質》(Soft Matter)期刊。

 

研究團隊發現短石蛾蟲絲結構為動態的多網路纖維,每個H-絲心蛋白分子約含100個(pSX)n個結構域(pS是磷酸絲氨酸,X是脂肪族胺基酸或精氨酸,n=2-6),與正二價磷酸鹽鈣離子交聯形成穩定的β結構域,含約70%水分,初始模量為80-140兆帕(MPa=106Pa,一帕等於每平方米施加一牛頓力),平均應力(材料受力時,單位面積所受的內力)超過30兆帕時斷裂,應變(材料受力時,單位長度或單位體積產生之變形量)為100-150%。變形是可逆的,當應變20%時卸載,絲纖維在120分鐘內可恢復初始尺寸及99%的剛度和強度,具有堅韌、抗疲勞、自癒、黏彈性、與黏附性。

 

他們以第一網路透過可逆的正二價金屬離子磷酸鹽交聯提供強度,用第二個共價交聯的聚丙烯醯胺(polyacrylamide)彈性網路提供延展性和變形自癒,以不同的有機磷酸鹽單體和預聚合物合成。先將pMOEP(聚2-(甲基丙烯醯氧基)乙基磷酸酯)預聚物的鈉鹽與聚丙烯醯胺(polyacrylamide,簡稱Aam)和N,N’-亞甲基雙丙烯醯胺(bis-AAm)單體共聚,然後將pAam網路透過甲基丙烯酸(methacrylate groups)側鏈共價連接到pMOEP網路,形成雙網路水凝膠,再透過交換正一價鈉離子(Na+)與不同的正二價金屬離子(Mg2+、Ca2+、Zn2+),pMOEP網路被交聯和去溶脹,得到多組水凝膠後進行力學測試,最後開發出仿生合成新型雙網路強韌水凝膠。

 

這種類似絲心蛋白的新型水凝膠,結構由合成磷酸鹽移植壓克力預聚合物(phosphate-graft-methacrylate prepolymer)在聚丙烯醯胺的共價彈性網路內共聚合而成。當超過磷酸鹽側鏈的臨界密度時,比較以正二價鈣離子或鋅離子平衡、及以用正二價鎂離子或正一價鈉離平衡兩種水凝膠,前者能增加極大的初始剛性、依屈服性能的應變率、及斷裂需要100倍以上的功(work)。而聚集的交聯金屬離子磷酸鹽在臨界應力上耗散能量和伸展黏滯力,故能提高韌性且定性複製短石蛾蟲絲的力學特性。研究團隊還發現水凝膠的應力響應可透過選擇不同金屬離子進行調節,因為當測試顯示初始模量及斷裂能量都是正二價鎂離子小於鈣離子、又小於鋅離子(Mg2+ < Ca2+ < Zn2+),可作為設計特定應用規格水凝膠的方法,未來將針對增加彈性網路結構的剛度和強度進行改善,逐步提高水凝膠韌性。

 

(以上新聞編譯自2015年9月21日發行之Soft Matter期刊)

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

 

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

 
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  • 來源:Lane, D. D., S. Kaur, G. M. Weerasakare, and R. J. Stewart. 2015. Toughened hydrogels inspired by aquatic caddisworm silk. Soft Matter, 11(35): 6981-6990.
     
  • 延伸閱讀:
     
    • Kennerson, E. 2016. Sticky. stretchy. waterproof. the amazing underwater tape of the caddisfly. KQED Science, August 9, 2016.
    • Stephen. E. 2015. Caddisfly silk gets shocked into self-recovery. Chemistry World, January 16, 2015.
    • Stewart, R. J. and C. S. Wang. 2010. Adaptation of caddisfly larval silks to aquatic habitats by phosphorylation of H-fibroin serines. Biomacromolecules, 11(4): 969-974.
     
 
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