上海科技大学凌盛杰《AM》：可编程水凝胶纤维

生命材料代表了功能材料设计的新领域，集成了合成生物学工具，赋予材料可编程、动态和逼真的特性。然而，创造活性材料的一个主要挑战是平衡结构稳定性、机械性能和功能可编程性之间的权衡。为了应对这一挑战，上海科技大学凌盛杰团队提出了一种皮芯活体水凝胶纤维平台，该平台将活细菌与水凝胶纤维协同整合，以实现功能多样性以及结构和机械稳健性。在设计中，微流体纺丝用于生产水凝胶纤维，由于其可定制的分层多孔结构以及可通过各种后处理方法增强的机械性能，因此在结构和功能可设计性方面具有优势。通过引入活细菌，赋予该平台可编程功能和逼真的功能。这项工作重建了活细菌的遗传电路，以表达色素蛋白和荧光蛋白作为两个原型，使活纤维着色并通过监测荧光蛋白表达量来感测水污染物。总之，该研究建立了结构-性能-功能优化的活性水凝胶纤维平台，为加速新兴活性材料系统的实际应用提供了新工具。该研究以题为“Embedding Living Cells with a Mechanically Reinforced and Functionally Programmable Hydrogel Fiber Platform”的论文发表在《Advanced Materials》上。

本研究提出了一种策略，将微流体纺丝技术、机械增强方法和遗传电路修改相结合，以优化基于水凝胶纤维的ELMs(称为活水凝胶纤维(LHFs))的结构、性能和功能。模块化微流体纺丝用于在纺丝过程中定制活细胞的分布，从而允许在单根纤维中创建连续、分段和梯度的细胞分布。共流微流体结构有助于创建皮芯纤维结构，确保营养物质运输和细菌遏制。此外，基于重复机械负载的机械训练策略用于增强LHFs，触发定向分子网络的形成，从而增强纤维强度和弹性，从而使其能够用于机织、针织以及进一步组装成织物以实现柔性生物传感器、可穿戴设备和自支撑生物材料。LHFs的功能扩展是通过对大肠杆菌进行稳健的遗传电路修饰方法来实现的。将六个色素蛋白基因单独或组合引入大肠杆菌中以对细胞进行着色。将这些彩色细胞包含在LHFs中，可以制造可见光和荧光颜色可编程纺织品，用于防伪和检测水污染物。这些LHFs的机械强度确保了其在长期使用过程中的结构和功能稳定性。

方案1.嵌入机械增强且功能可编程的水凝胶纤维平台的工程细菌的设计

【结构设计】

皮芯式LHF的简化湿法纺丝工艺如下，将大肠杆菌细胞引入海藻酸钠(SA)水溶液(2wt%)中以产生纤维芯的纺丝原液。短棒状结构特征使大肠杆菌能够以预先对齐的方式流动，并在穿过旋转管道时进一步沿流动轴对齐。皮层纤维的纺丝原液由4wt%SA组成，高浓度，可形成更致密的分子网络，孔径更小。在环境条件下使用同轴纺丝技术将两种纺丝原液挤出到含有5wt％氯化钙(CaCl2)水溶液的第一凝固浴中。在此过程中，Ca2+离子快速扩散到纺丝原液中，并引发海藻酸盐中Ca2+和Na+离子之间的交换。Ca2+离子与海藻酸盐分子螯合，形成防水的蛋盒状结构，作为交联剂连接无定形海藻酸盐链。结果，藻酸盐纺丝原液发生凝胶化，导致LHFs的形成。最初形成的纤维在进入第二凝固浴之前再次浸泡在2重量%的SA水溶液中，确保表面涂有一层SA，第二凝固浴与第一凝固浴相同。在第二个凝固浴中，表面新涂覆的SA再次凝固。这种两次凝胶化过程有效地降低了在初始固化步骤中获得不良样品的风险，确保提高了皮芯LHFs生产的一致性和可靠性。

图1.LHFs的同轴微流体纺丝工艺和结构表征

【机械加固】

为了保留LHFs中高度定向的分子网络，利用机械训练策略来增强其机械强度和韧性。机械训练过程包括在1wt% CaCl2水溶液中以固定应变对LHFs施加重复机械载荷，以维持过饱和环境。这种训练驱动LHFs沿加载方向的分子网络方向，并增加结构重建所需的交联数量。

随着循环次数的增加，LHFs的取向逐渐增加，而非晶区的自由体积逐渐减小。当非晶区的自由体积减少到无法容纳链段运动的程度时，取向的非晶区被固定。因此，LHF中分子网络的取向不再增加，并且在所得LHFs中可以保持这种程度的取向。

图2.LHFs的机械训练过程及其结构变化

机械训练后LHFs的强度显着增加。通过拉伸试验对LHFs进行定量力学评估。这些应力-应变曲线导致生物材料极其坚韧，因为曲线的下部为低强度提供了实质性延伸。通过比较不同机械训练周期后MT-AHIF的机械性能，也证实了机械训练驱动的LHFs的硬化、强化和增韧。且强度和模量随着训练周期的增加而线性增加。与之前报道的含水量相当大的海藻酸盐水凝胶相比，MT-LHF在延展性和模量平衡方面的优势也很显着。

图3.LHFs的机械性能

【基因编码的颜色】

基因编码着色是通过水凝胶纤维实现的，水凝胶纤维提供机械支撑和嵌入细菌，作为通过基因电路进行多功能设计的活平台。质粒的融合提供了一种通过比色法和图像处理创建与标准颜色相同颜色的可编程彩色大肠杆菌细胞的实用方法。例如，通过将6个表达不同色素蛋白的质粒成对或成对地融合，可以构建35个表达不同颜色的质粒。这些质粒表达的颜色范围覆盖了RGB色域的80%以上。此外，还有4种以上的荧光蛋白；因此，它们的荧光可以被紫外(UV)光激发。从具有六种基本颜色的色素蛋白开始，具有两种或三种色素蛋白的不同组合的质粒产生了各种有色细胞。这些色蛋白在室温和65°C下稳定两周，没有明显的颜色衰减。因此，这些彩色大肠杆菌细胞是用于构建活纤维的坚固活材料。

图4.作为活色素的基因编程大肠杆菌

作为演示，通过分别含有fwYellow、CyOFP1、tsPurple和amajLime色蛋白的大肠杆菌菌株旋转了四种颜色为黄色、橙色、紫色和绿色的LHFs。此外，使用注射动态控制微流体纺丝技术可以在单根纤维中进行颜色编程。此外，这些彩色LHFs的卓越机械性能使其非常适合编织成精致的1D-3D架构，提供出色的结构可设计性和功能可扩展性。例如，防伪颜色代码是通过对LHF纺织品的颜色阵列进行编码而创建的。

图5.具有可编程颜色变化的LHFs及其作为颜色代码的应用

【水污染物检测】

嵌入在LHFs中的大肠杆菌被改造成两种类型的全细胞生物传感器，即大肠杆菌菌株JZ-439和大肠杆菌菌株J109，以监测水中的小分子污染物。这些菌株的荧光可用作检测水中目标污染物的指示剂。两个菌株都能在最初的4小时内检测到荧光强度的增加，表明它们对目标污染物具有显著的敏感性。此外，这些生物传感器的输出具有剂量依赖性响应。总体而言，这些结果成功地验证了这两个细菌菌株在检测水中目标污染物方面的功能。

接下来，继续测试这些大肠杆菌菌株在嵌入LHFs后是否可以保持对目标污染物的敏感性。发现即使在复杂的污水环境中，LHFs仍能在一定程度上保持对其目标的特异性和敏感性。此外，LHFs对两种目标污染物的反应不相互干扰。这些结果表明，通过在纱线或纺织系统中集成不同的LHF生物传感器，可以实现对一组目标的多路检测。

图6.用于污染物监测的基于全细胞细菌的生物传感器嵌入式LHFs

封面来源于图虫创意