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水凝胶透镜是什么?能用来干啥?

大家好,今天我们来了解一项关于蛋白质驱动的水凝胶透镜的研究——《Toward Tunable Protein‐Driven Hydrogel Lens》发表于《Advanced Science》。我们的眼睛晶状体主要由蛋白质构成,在视觉中起重要作用。但人造光学系统要实现类似功能却不容易。近年来,虽有一些方法模仿人类晶状体,但存在各种问题。本研究旨在利用蛋白质和聚合物水凝胶的特性,制造出一种可调的蛋白质驱动水凝胶透镜,它具有透明、形状记忆等特点,有望为光学系统设计带来新突破。

*本文只做阅读笔记分享*

一、引言

人类的眼睛晶状体主要由蛋白质构成,它是一种透明的结构,在视觉中起着至关重要的作用。大多数人造光学系统通过控制透镜位移或使用透镜阵列来实现聚焦,而我们人类的晶状体则可以通过睫状肌来改变和操纵焦距,从而使物体聚焦。

近年来,虽然有一些方法来模仿人类晶状体的功能,比如流体、液晶、弹性体和生物聚合物基透镜等,但它们要么制备复杂,要么需要外部机械和电刺激。

二、BSA-PEGDA水凝胶的合成与表征

2.1 BSA的特点和应用

BSA是一种广泛研究、丰富且相对便宜的蛋白质,由于其结构多样性和构象灵活性,具有多种应用。

2.2 BSA-PEGDA水凝胶的合成过程

通过BSA表面的赖氨酸残基与PEGDA700的丙烯酸酯之间的aza-Michael加成反应生成BSA-PEGDA复合物。

将BSA-PEGDA复合物溶液与50mM LAP以19:1的体积比混合,倒入切头注射器中,在室温下用UV光(5.4mW cm−2)照射1分钟,使其形成水凝胶。最后将水凝胶挤压到TRIS溶液(20mM Tris,150mM NaCl,pH≈7.4)中进行平衡。

2.3 实验结果分析

ATR- FTIR分析表明,在BSA-PEGDA溶液的ATR-FTIR记录中,约1540cm−1处出现的峰对应于二级胺,证实了赖氨酸的成功修饰。

通过TNBS测定,发现PEGDA和BSA的浓度比会影响赖氨酸残基的功能化程度,当 PEGDA浓度从200mM降低到100mM时,赖氨酸功能化程度从13±1%降低到12±1%;当BSA浓度从2mM降低到0.5mM,而PEGDA浓度保持在200mM时,修饰百分比没有明显影响。

对BSA溶液、BSA-PEGDA混合物和水凝胶样品进行ATR-FTIR分析,通过对酰胺I 峰(1600 - 1700cm−1)进行傅里叶去卷积,观察到三个主要结构:β-折叠(1610 - 1630cm−1)、α-螺旋 I(1648-1660cm−1)和 β(1660 - 1689cm−1),所有样品中约20%为分子内β-折叠,约70%为α-螺旋,10%为β-转角,这与之前发表的结果一致。

三、BSA-PEGDA水凝胶的光学透明度和致动行为

3.1 水凝胶的透明度实验

观察水凝胶样品发现,0-200mM水凝胶不含BSA时表现出轻微的不透明度,光传输在450-550nm的蓝绿范围内低于80%。加入BSA后,水凝胶的透明度提高,2-200样品的透明度较高,在可见范围(400-700nm)内传输几乎达到≈95%。

2-100水凝胶样品在光传输方面有轻微改善,在短波长范围内表现出卓越的透明度(>95%)。通过cryo-SEM观察到,0-200mM水凝胶具有高度多孔的微观结构,孔径为数百纳米;0.5-200水凝胶中,由于BSA的整合,呈现出更致密的排列,层状形态更多,孔径更小;2-200mM水凝胶中,层状微结构减少,孔密度增加;2-100水凝胶中,呈现出更均匀的纤维多孔排列,孔径小于20nm。

3.2 水凝胶的致动行为实验

当蛋白质浓度增加而PEGDA浓度保持不变(100mM)时,双层水凝胶在酸性和碱性条件下的弯曲响应更显著;当蛋白质浓度降低时,水凝胶系统的弯曲行为几乎消失。

双层系统在酸性环境中表现出完全的循环行为,而在碱性溶液中,弯曲角度在每个浸泡周期后逐渐减小,在第三个周期后,水凝胶样品停止变形,失去可逆性。

增加PEGDA浓度会使更多的赖氨酸残基与PEGDA功能化,导致交联密度增加、BSA 域固定化程度提高、溶胀比降低和刚度增加。例如,当2-100双层系统浸入0.01M HCl时,其弯曲角度比2-200水凝胶致动器更高(120±8°vs 22±2°);浸入TRIS溶液后,2-100 和2-200分别恢复到初始形状的80%和100%,且2-200恢复更快。

此外,还设计了一种花状双层水凝胶系统,在酸性条件下,花瓣会关闭(向上),在 TRIS 中会重新打开。

四、可调蛋白质驱动的水凝胶透镜

4.1 透镜的设计与制作

使用双层致动器概念制造平面-凸面双层水凝胶透镜,将2-100复合物作为活性层,0-200作为被动层,以1:1的体积比制成。

4.2 透镜的性能测试

测量透镜的折射率约为1.34,通过弯曲角度和弧长测量计算出曲率半径,进而确定焦距。初始时,透镜在TRIS溶液中的焦距为 f0 = 64±3mm,测量焦距为f0 = 63±2mm。将透镜浸入酸性溶液(0.01M HCl)中,会转变为凸-凹透镜,焦距减小到 f = 23±2mm,约2小时后达到。回到TRIS溶液中,焦距增加到44±3 mm。

通过替换0-200 mm BSA-PEGDA水凝胶为2-200 mM BSA-PEGDA水凝胶,成功控制焦距范围在58±2到41±0.5mm之间,并且透镜具有完全的恢复性。

五、总结与展望

5.1 本研究的优势

与其他研究中使用纳米颗粒来改善水凝胶透镜的透明度不同,本研究通过融BSA和 PEGDA两种生物相容性材料,形成共价键网络,制备出透明度高的水凝胶透镜,且避免了纳米颗粒带来的挑战,如聚集、不均匀分布和潜在的视觉扭曲,以及长期生物相容性的问题。

本研究首次共价结合少量BSA到PEGDA网络中,利用BSA的结构动力学和PEGDA 的透光特性,设计出透明可调的蛋白质驱动光学致动器。

与其他系统相比,本系统不需要复杂的外部触发系统,可利用生理条件如胃(pH≈2)和小肠(pH≈7.4)来调整焦距或改变生物相容性不可察觉致动器的形状,用于药物递送和传感应用。

本系统的焦距范围与人类晶状体相似(61.4到43.5 mm)。

5.2 本研究的应用前景

pH敏感透镜可用于光动力疗法,精确控制光传递,增强治疗效果。例如,在癌症治疗中,透镜可以根据肿瘤内的酸性pH环境调整形状,确保光敏剂的靶向和高效光激活,从而提高治疗效果。

可用于光遗传学,调节光强度和焦点。

可集成到微流体系统中,控制流体流动。例如,通过pH变化引起的透镜形状变化来控制微通道内的流体流动,可应用于芯片实验室技术和生化分析。

可用于医学成像,提高组织成像的清晰度和细节。

参考文献:

Kaeek M, Khoury LR. Toward Tunable Protein-Driven Hydrogel Lens. Adv Sci (Weinh). 2023 Dec;10(36):e2306862.

  • 发表于:
  • 原文链接https://page.om.qq.com/page/OvqxtiJmBfXsdEgwseyP5Q5g0
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