3D打印LAMBA活體功能材料，可用于智能制造及可穿戴設(shè)備的組裝

來源：MEMS

北京時間2021年12月21日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院戴卓君課題組與劉志遠課題組合作在Nature Chemical biology發(fā)表題為“Programmable Living Material Generated by Bacterial Assembly”的文章。針對活體功能材料這一領(lǐng)域，提出一種全新的可快速自愈的活體材料構(gòu)建思路，并進一步將這種思路轉(zhuǎn)化成一種普適的活體材料組合方法，將其推廣應(yīng)用于全新的應(yīng)用領(lǐng)域如智能制造及可穿戴設(shè)備的組裝，初步嘗試BT+IT的融合。設(shè)計理念跳出目前活體材料以生物被膜為基礎(chǔ)的編輯框架，利用高分子物理化學(xué)的理念去跨學(xué)科研究和挑戰(zhàn)利用微生物制備具有快速自修復(fù)特性的可編程和可加工的活體功能材料。第一作者為陳柏竹博士，第二作者孫靜及朱潤濤在可穿戴器件部分及文章修改方面做出了重要貢獻。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41589-021-00934-z

為什么是Ta？

自2014年提出活體材料的概念，迄今大部分工作是通過編輯工程生物被膜（Biofilm engineering）實現(xiàn)材料組裝，而其中最為成熟的是大腸桿菌淀粉樣蛋白纖維（curli）體系1。Curli體系由蛋白單體CsgA在細菌表面鉚定并聚合形成纖維，通過與CsgA融合多肽或蛋白功能域，可賦予curli多樣化的功能。然而由于分泌的局限性，CsgA只能融合約100個氨基酸左右的蛋白，限制了curli功能修飾的范圍。另一方面，作為活體材料，其核心優(yōu)勢之一是自修復(fù)。目前，活體材料自修復(fù)全部依靠細菌自身的生長更新，即使以分裂速度極快的大腸桿菌為例，自修復(fù)的時間尺度也在幾個到幾十個小時之間。而在健康監(jiān)測的可穿戴器件中，材料在拉伸或折疊后必須快速修復(fù)其性能以保證器件運行的穩(wěn)定性。例如可穿戴器件中的應(yīng)變傳感器，其靈敏度、可靠性和穩(wěn)定性取決于材料修復(fù)后的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和機械性能。這一類材料對自修復(fù)的要求通常是分鐘級別的。因此，當前活體材料理論自修復(fù)能力與實際需求有百倍，乃至千倍的差別。單純依靠合成生物學(xué)原有思路: 利用生物生長帶來的自修復(fù)效應(yīng)無法解決該問題，亟待引入跨學(xué)科的理念及設(shè)計提供新思維和新方法。

LAMBA ：Living Assembled Material by Bacteria Assembly

在一類合成高分子材料中，通過非共價鍵的化學(xué)作用可以實現(xiàn)快速、多次的自修復(fù)。這種基于動態(tài)非共價化學(xué)作用的自修復(fù)，主要通過氫鍵等主客體作用。在生物大分子中，抗原抗體間可以通過非共價鍵結(jié)合，包括氫鍵、靜電作用、疏水作用力等。由此，該項工作通過在微生物表面編輯抗原或抗體分子，引導(dǎo)微生物可通過抗原抗體相互作用產(chǎn)生粘合，從而形成可快速自修復(fù)的活體功能材料，搭建活體功能材料設(shè)計的新框架(圖1)。

圖1：組裝LAMBA活體功能材料，使材料可加工、可編程、可快速自愈。

科研人員運用已開發(fā)的抗原或抗體及表面展示體系。將抗原或抗體展示到大腸桿菌細胞膜表面構(gòu)建工程細菌，隨后混合兩種細菌構(gòu)建材料�；旌虾蟮募毦�由于抗原抗體作用迅速自組裝成材料前體（LAMBA, 圖2a）。LAMBA相對于單種細菌具有更高的動態(tài)模量以及粘度,這種優(yōu)化后的流變性能使得LAMBA具有更好的加工性（圖2b）。LAMBA可直接作為3D打印材料構(gòu)建宏觀的二維或三維精細結(jié)構(gòu)(圖2c），也可構(gòu)建微米級材料，如組裝微米級纖維（圖2d）。作為活體材料，LAMBA具備“活”材料的生長特性，通過將LAMBA進行“復(fù)印”, 便可復(fù)制產(chǎn)生新材料，而新材料依舊能夠保持良好的形態(tài)完整（如圖2e）。

圖2：LAMBA具有可加工性。a: 展示有抗原和抗體的大腸桿菌混合后，自組裝并沉降形成LAMBA; b: LAMBA的粘度得到顯著提升；c: LAMBA構(gòu)建二維或三維的宏觀精細結(jié)構(gòu)；d：構(gòu)建微米級LAMBA纖維：e: LAMBA可進行高保真的復(fù)刻。

可編程的LAMBA

科學(xué)家使用合成生物學(xué)工具對LAMBA進行編程，賦予其生物降解或生物催化的功能：
可生物降解的LAMBA: 科研人員在展示抗原的細菌表面同步展示有機磷農(nóng)藥降解酶(OPH)，并在展示抗體細菌表面修飾納米金顆粒（圖3a）。利用兩種細菌粘合制作活體材料。實驗數(shù)據(jù)表明，在OPH的催化下，組裝的活體材料首先將對氧磷將其轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g產(chǎn)物對硝基苯酚,并進一步由納米金顆粒催化降解為低毒害的對氨基苯酚（如圖二B）。

可生物催化的LAMBA: 科研人員在展示抗原的細菌表面同步展示淀粉水解酶（BA），并在展示抗體細菌胞內(nèi)表達海藻糖合成酶(TreS)，利用兩種細菌粘合制作活體材料（圖3c）。淀粉作為一種無法被大腸桿菌利用的碳源，可首先由淀粉水解酶轉(zhuǎn)化為麥芽糖，并作為底物運輸?shù)桨麅?nèi)，被海藻糖合成酶轉(zhuǎn)化為海藻糖（圖3d）。

值得一提的是，科研人員利用蛋白展示系統(tǒng)可將545個氨基酸的功能域展示到LAMBA表面，提高活體功能材料的修飾能力。

圖3：可編程LAMBA。a-b：通過編程使得LAMBA材料具備對氧磷降解能力；c-d：通過編程使得LAMBA材料獲得海藻糖合成能力。

可穿戴LAMBA柔性器件

研究人員希望通過抗原抗體的非共價作用使得LAMBA具有快速自修復(fù)的能力。為此將LAMBA置于可拉伸SEBS薄膜上，循環(huán)拉伸至長度的250%，同時跟蹤其導(dǎo)電性。數(shù)據(jù)顯示，LAMBA在此循環(huán)拉伸(10次)下始終維持恒定電阻，而單種細菌在拉伸時電阻迅速升高�？茖W(xué)家從菌體中間劃斷材料，五分鐘內(nèi)捏合斷面并立即重復(fù)拉伸實驗（如圖4a）。數(shù)據(jù)顯示，LAMBA在修復(fù)后的循環(huán)拉伸下依舊維持恒定電阻，而單種細菌的電阻則顯著升高，表明LAMBA器件具備迅速自愈合能力（如圖4b-c）。

圖4：可穿戴LAMBA柔性器件。a: 測試LAMBA自愈合性的實驗設(shè)計；b：劃斷前; c：劃斷捏合后, LAMBA (紫色)均保持250%長度循環(huán)10次拉伸下的電阻穩(wěn)定性；d: 柔性LAMBA電生理傳感器; e：握拳與放松狀態(tài)下的肌肉電生理信號，自上而下依次為柔性LAMBA、Nb、Ag、Au電生理傳感器; f: E圖所對應(yīng)肌肉電生理信號的信噪比，SNR=20 lg(ASignal /ANoise)；g:柔性LAMBA應(yīng)變傳感器; h：柔性LAMBA應(yīng)變傳感器可穩(wěn)定監(jiān)測指節(jié)彎曲;i：柔性金薄膜應(yīng)變傳感器無法監(jiān)測大角度關(guān)節(jié)運動。

可穿戴設(shè)備旨在檢測人體基本生理信號以達到日常健康檢測、輔助康復(fù)治療等效果，拉伸導(dǎo)電性能是設(shè)備能否正常運行的關(guān)鍵因素之一�；�于以上細菌高拉伸循環(huán)穩(wěn)定性測試，科研人員進一步將LAMBA制備成傳感器用作可穿戴器件，包括柔性LAMBA電生理傳感器（LAMBA EMG sensor）以及 應(yīng)變傳感器（LAMBA strain sensor）。
電生理傳感器用于記錄肌肉在運動過程中的電生理信號（如圖4d）。人體的神經(jīng)肌肉活動均伴隨著電生理信號的產(chǎn)生，不同神經(jīng)肌肉電生理信號的頻率、幅度不同，生理特征與應(yīng)用范圍也不同。對肌肉電信號的準確獲取，一方面可以用于評估肌肉的健康狀態(tài)，另一方面也可以用于計算評估人體瞬時的動作意圖，進而去控制外部設(shè)備，如假肢和外骨骼等。實驗結(jié)果顯示，柔性LAMBA電生理傳感器可以捕捉到肌肉電信號，并且相比于相同方法制備的單菌或金薄膜電生理傳感器顯示更好的信噪比（如圖4e-f）。
另一方面，LAMBA的高拉伸性與自愈合特性在應(yīng)變傳感器中顯示出獨特的優(yōu)勢，科學(xué)家對LAMBA進行封裝構(gòu)建電阻式應(yīng)變傳感器，并將傳感器貼敷在手指關(guān)節(jié)監(jiān)測手指彎曲時的形變信號（如圖4g）。實驗數(shù)據(jù)表明，具有微裂紋結(jié)構(gòu)的柔性金薄膜應(yīng)變傳感器在手指彎曲的情況下出現(xiàn)信號中斷現(xiàn)象（如圖4i），而利用活體材料構(gòu)建的柔性LAMBA應(yīng)變傳感器可穩(wěn)定的感知指節(jié)動作，并給與相應(yīng)的信號輸出（如圖4h）。

圖5：應(yīng)變傳感器監(jiān)測指節(jié)彎曲。左：LAMBA應(yīng)變傳感器，右：柔性金薄膜應(yīng)變傳感器。

在指節(jié)彎曲過程中，越靠近關(guān)節(jié)處的傳感器形變量越大，基于此具有微裂紋結(jié)構(gòu)的柔性金薄膜傳感器因部分區(qū)域形變量過大而導(dǎo)致整個傳感器失效，即具有微裂紋結(jié)構(gòu)的柔性金薄膜傳感器無法在大形變角度下正常工作（如圖5-右）。相比之下，柔性LAMBA應(yīng)變傳感器可以應(yīng)對這種不均勻形變的現(xiàn)象，通過電阻變化來實時反應(yīng)指節(jié)的彎曲角度與動作保持狀態(tài)（如圖5-左）。

LAMBA展望：BT+IT

該項工作跳出活體材料編輯淀粉樣蛋白系統(tǒng)等傳統(tǒng)設(shè)計框架，借鑒一類通過動態(tài)非共價結(jié)合的自修復(fù)高分子的修復(fù)機理，搭建了快速自愈合活體材料組裝的新框架。
1）將一類自修復(fù)高分子中的動態(tài)非共價理念引入工程微生物，利用抗原-抗體間的非共價結(jié)合力構(gòu)建可快速自修復(fù)的活體功能材料；
2）通過表面展示體系實現(xiàn)大蛋白對細菌表面的修飾，提高活體功能材料的可加工性及可編程性；
3）將活體功能材料構(gòu)建傳感器等并應(yīng)用于頻繁拉伸或彎折的可穿戴設(shè)備，對肌肉電信號等健康指標進行監(jiān)測。
該項工作對獲得具有快速修復(fù)能力的活體材料具有重要的理論指導(dǎo)及實際應(yīng)用意義。其在IT領(lǐng)域智能制造應(yīng)用上的嘗試，表明合成生物學(xué)在IT領(lǐng)域應(yīng)用的無限可能，為合成生物學(xué)材料研究開拓新思路、新方向。

業(yè)界大咖點評：

中國科學(xué)院院士，上海交通大學(xué)教授樊春海：這個工作在活體材料的設(shè)計與編輯中跨出了一大步。尤其是將高分子物理及化學(xué)中利用動態(tài)非共價鍵介導(dǎo)的快速自愈合這一創(chuàng)新的設(shè)計思路來武裝細菌，將在高分子學(xué)科中積累的經(jīng)典體系跨學(xué)科的引入合成生物學(xué)，這也提示我們在未來的活體材料設(shè)計中可以學(xué)習(xí)和借鑒其他材料科學(xué)的優(yōu)秀體系。

中國科學(xué)院院士，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所首席科學(xué)家趙國屏：該成果聚焦在活體功能材料領(lǐng)域，挑戰(zhàn)了活體材料分鐘內(nèi)自愈這個單純依靠細胞分裂無法實現(xiàn)的難題。解決這個問題的靈感來源于動態(tài)非共價鍵形成快速自愈合的理論，利用細菌表面安裝可粘合的抗原-抗體的性質(zhì)，人工改造細菌開發(fā)了一種可快速組裝自愈的功能材料，實現(xiàn)了全新的可編程材料模式。尤其值得一提的是，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(gòu)建框架和應(yīng)用領(lǐng)域，這是化學(xué)生物學(xué)及生物技術(shù)與材料科學(xué)和工程科學(xué)學(xué)科交叉“會聚”研究的一個范例。