胶黏剂聚合物专题24:《Nat. Commun.》用于水下机器人的蛋白质水凝胶的可编程粘附与变形

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摘要：

能够在流体浸没环境中高效执行任务的软体机器人在众多应用领域极具前景。然而，依赖动态水下粘附和变形能力实现机器人的自动化仍然充满挑战。在此，我们提出利用定制的蛋白质材料构建此类机器人。首先，将类弹性蛋白与多金属氧酸盐阴离子复合，形成水凝胶，这种水凝胶能够在水性环境中，随着微小的温度变化，在柔软粘性和坚硬非粘性状态之间快速转换。为实现对动态粘附和变形的远程控制，随后将四氧化三铁纳米颗粒集成到水凝胶中，从而形成具有光热和磁响应性的软体机器人。这些机器人可执行包括修复人造血管、在红外光和磁场的协同控制下于水中捕获和运输多种物体等复杂任务。这些研究成果为制造具有按需功能的基于蛋白质的水下机器人开辟了一条途径。

研究结论：

总之，我们设计并构建了一种用于仿生水下粘附机器人的蛋白质水凝胶型粘合剂。该水凝胶通过带正电且可化学交联的R32蛋白与聚阴离子型硅钨酸（SiW）复合制备而成。由于引入了动态静电相互作用，水凝胶在室温下会发生明显的相转变。因此，在狭窄且温和的温度范围内，通过加热和冷却，该凝胶能够在水中实现从粘性柔软状态（温度高于软化温度\(T_{s}\) ）到非粘性坚硬状态（温度低于\(T_{s}\) ）的可逆转变。更有趣的是，水凝胶在水中通过与目标表面温热接触，能够在相对较低的温度下实现强水下粘附。基于这些特性，通过在凝胶中加入磁性四氧化三铁纳米颗粒，成功制备出了具有光热和磁场驱动响应的水下粘附机器人。在红外光和磁场的协同控制下，该机器人能够在水中远距离捕获和运输多种物体，还能修复人造血管泄漏。我们期望这项工作能为未来仿生智能水下机器人的发展提供一个良好的范例。

研究框架：

科学难题或挑战：

文章围绕水下机器人用蛋白质水凝胶的研发展开，旨在解决水下环境中机器人的粘附和变形控制问题。研究过程面临诸多科学难题与挑战，涵盖材料性能优化、机器人功能实现以及实际应用可行性等方面。

1. **实现水下强粘附与动态响应**：在水下环境，水化层阻碍材料间相互作用，传统水下粘合剂缺乏动态响应特性，易因氧化失去粘性。开发能在多种基底实现强粘附、具备动态响应且克服水化层阻碍的材料是关键难题。

2. **调控水凝胶性能**：水凝胶的机械性能、粘附性能和热响应性能受多种因素影响，需精准调控各因素，确定最佳配方和条件，以满足水下机器人在不同任务中的需求 。

3. **实现机器人远程控制与复杂功能**：要让水下机器人实现远程控制的动态粘附、变形和复杂任务执行，需整合多种响应机制（光热、磁响应等），并优化机器人结构和控制策略 。

4. **提高机器人性能与实用性**：目前机器人在响应时间、形状恢复性等方面存在不足，需缩短响应时间、提高形状恢复能力，同时研究长期稳定性和生物相容性，以拓展其在实际场景中的应用 。

关键科学问题：

文章聚焦于水下机器人用蛋白质水凝胶的研发，关键科学问题集中在如何利用材料科学和生物仿生学原理，解决水下环境中机器人的粘附、变形以及功能实现等难题，推动水下机器人技术的发展。

1. **如何实现蛋白质水凝胶的可编程粘附与变形**：探索通过材料设计和复合技术，使蛋白质水凝胶在水性环境中对温度、光热和磁场等刺激产生响应，实现可编程的粘附和变形，以满足水下机器人执行不同任务的需求 。

2. **怎样优化水凝胶的性能以适应水下环境**：研究水凝胶的组成、结构与性能之间的关系，如R32蛋白与SiW的复合比例、交联程度等对水凝胶机械性能、粘附性能和稳定性的影响，优化水凝胶性能，使其在水下环境中保持良好的工作状态 。

3. **如何构建具有复杂功能的水下机器人**：将具有特定性能的水凝胶与光热、磁性等功能相结合，设计并构建能在水下实现远程控制、捕获和运输物体、修复血管等复杂任务的机器人，需要解决多方面的技术和科学问题 。

4. **怎样提高水下机器人的实用性和可靠性**：分析水下机器人在实际应用中的限制和不足，如响应时间、形状恢复能力等，寻找改进方法，提高其在复杂水下环境中的实用性和可靠性 。

科学创新点：

文章聚焦蛋白质水凝胶在水下机器人的应用，从材料性能、机器人功能实现及研究意义等方面实现创新，为水下机器人领域发展提供新思路和方法。

1. **材料性能创新**：开发出通过R32蛋白与硅钨酸（SiW）复合的水凝胶，该水凝胶能在温和温度变化下，于软黏和硬不黏状态间快速切换，突破传统水下材料限制，在水下展现出色的热响应粘附和机械性能变化特性，且能在相对低温下实现强粘附 。

2. **机器人功能创新**：制备的水下机器人集成光热和磁响应功能，借助红外光和磁场协同控制，可完成复杂任务。如模仿变色龙捕食，能远程捕获物体；还能在人造血管内导航，修复血管泄漏，拓展了水下机器人的应用功能 。

3. **研究方法创新**：采用静电相互作用构建动态水凝胶，为水下材料设计提供新策略；通过多因素综合调控实现对水凝胶性能和机器人行为的精确控制，这种研究方法为后续相关研究提供了参考范式 。

核心概念：

文章围绕用于水下机器人的蛋白质水凝胶展开研究，核心概念包括蛋白质水凝胶、可编程粘附与变形、水下机器人等，这些概念相互关联，共同构建起文章的研究体系。

1. **蛋白质水凝胶**：由类弹性蛋白（RLPs）中的R32蛋白与硅钨酸（SiW）通过静电相互作用复合而成。R32蛋白含可交联酪氨酸和带电荷精氨酸，SiW具有刚性框架和高电离倾向 ，二者结合形成的水凝胶具有独特性能。在室温下可重塑形状，利于与不同基底接触，增强粘附能力；其内部呈现对齐微纤维结构，类似天然水下粘合剂，有助于在动态环境下实现强粘附。

2. **可编程粘附与变形**：蛋白质水凝胶能在水性环境中，因温度微小变化，在软粘和硬不粘状态间快速可逆转换。温度低于软化温度（\(T_{s}\)）时呈刚性非粘附态，高于\(T_{s}\)时转变为柔软粘附态，通过控制温度可实现可编程粘附 。引入光热响应的磁性四氧化三铁纳米颗粒（\(M-Fe_{3}O_{4}\) NPs）后，水凝胶在红外光照射下升温，实现从刚性到柔软状态的转变，进而实现粘附和变形，在红外光和磁场协同控制下，可完成复杂动作，体现可编程性 。

3. **水下机器人**：以蛋白质水凝胶为基础构建，集成了水凝胶的粘附和变形特性以及光热、磁响应功能。模仿变色龙捕食机制设计的机器人，能在水中远程捕获物体；还可作为小型粘附机器人，在磁场和红外光引导下，在人造血管内导航并修复血管泄漏，展现出在生物医学等领域的应用潜力 。

科学贡献和意义：

文章围绕蛋白质水凝胶用于水下机器人展开研究，在材料性能创新、机器人功能拓展、研究方法突破以及多领域应用推动等方面贡献突出，对相关科学领域和实际应用意义重大。

1. **材料科学贡献**：开发新型蛋白质水凝胶，通过R32蛋白与SiW复合，实现独特热响应性能。能在温和温度变化下快速切换粘附和机械性能状态，为水下材料设计提供新思路，拓展材料在复杂环境中的应用范围 。

2. **机器人技术推动**：制备的水下机器人集成光热和磁响应功能，可在红外光与磁场协同控制下完成复杂任务，如模仿变色龙捕食、修复人造血管等，为水下机器人发展提供新方向，推动水下作业机器人技术进步 。

3. **研究方法创新**：采用静电相互作用构建动态水凝胶，多因素调控其性能和机器人行为。这种研究方法为后续研究提供参考，有助于深入理解材料性能与应用之间的关系 。

4. **多领域应用潜力**：该研究成果在生物医学领域，有望用于体内微创治疗，减少组织损伤；在海洋探测领域，可助力开发高效水下作业工具，提高海洋资源开发和监测能力 。

实验设计框架：

研究背景和意义：

水下软体机器人在从微型医疗工具、传感器到海洋探索等众多领域都具有广阔的应用前景，这得益于它们能够在流体浸没环境中自如移动和作业。越来越多的智能材料被设计用于制造软机器人的驱动装置和传感器，如液晶聚合物、介电弹性体和刺激响应水凝胶。然而，这些机器人不可避免地面临一系列限制其性能和应用的挑战。其中最棘手的挑战之一是在水环境中实现对各种表面的可控且强粘附。这种粘附性能对于软机器人高效执行各种水下任务至关重要，如远程采集生物样本、传输生物信号，以及粘附在组织损伤处进行愈合和修复。

对于大多数软材料而言，水下粘附在技术上颇具挑战性，因为水化层的形成会阻碍基底与粘附材料之间的相互作用。受海洋生物的启发，它们能够通过分泌粘附蛋白或多肽在水生环境中粘结不同材料，人们仿生设计并开发了多种水下粘合剂。在过去十年中，制备这些水下粘合剂最常用的方法是在材料的分子设计中引入L - 3,4 - 二羟基苯丙氨酸。然而，这类粘合剂通常缺乏动态响应特性，并且由于儿茶酚基团的过度氧化，容易失去粘附性。另一种开发粘合剂的方法是利用带相反电荷的聚电解质通过液 - 液相分离进行复合凝聚。得益于非共价相互作用的动态特性，这些粘合剂能够响应环境刺激而调节粘附力。然而，已报道的水下粘合剂通常机械性能较差，并且在不同基底表面上缺乏可控的附着/脱离行为，无法完成诸如抓取、移动和形状变形等复杂的机器人任务。

研究结果：

### 图1 硅钨酸（SiW）复合R32蛋白水凝胶的设计与制备 (a) R32水凝胶的设计原理示意图。(b) 交联R32与SiW复合的关键过程示意图。由BioRender.com创建。(c) 制备的球状水凝胶可重塑为不同形状，如立方体、绳索和树叶。(d) 水凝胶中微纤维结构的扫描电子显微镜（SEM）图像。(c)和(d)中的数据均来自2次独立实验。

### 图2 复合R32水凝胶的温度依赖性机械性能 (a) 水凝胶的储能模量（\(E'\)）和损耗因子（\(\tan\delta\)）随温度的变化。R32-SiW、R32-5%-SiW、R32-15%-SiW和R32-30%-SiW分别对应二酪氨酸交联度为0、5%、15%和30%的SiW复合水凝胶。(b) 在不同温度下通过拉伸试验测量的水凝胶的杨氏模量和断裂应变。误差棒表示三次重复测量的标准偏差。(c) 水凝胶可切换机械性能的机制示意图。(d) 照片展示了水凝胶（二酪氨酸交联度为5%）在20°C（刚性）和50°C（柔软）之间的反复切换。比例尺为20mm。(a)和(d)中的数据均来自2次独立实验。(b)中的数据以平均值±标准差表示，来自3个独立样本，代表两次独立实验。原始数据作为源数据文件提供。

### 图3 SiW复合R32水凝胶的动态水下粘附性能 (a) 以不锈钢为模型基底，通过探针粘性测试测量水凝胶的水下粘附强度随温度的变化。(b) R32-5%-SiW水凝胶在20°C、37°C和70°C时的粘附行为。比例尺为20mm。(c) 实现增强粘附的温热附着和冷却过程示意图（左）。水凝胶先在指定附着温度（\(T_{A}\)）下加载到钢表面30秒，然后在4 - 70°C的温度范围内测试水下粘附力（右）。(d) 在20°C下，水凝胶在各自的\(T_{A}\)附着30秒后测量的水下粘附强度比较。交叉符号表示粘附强度值无法检测。(a)、(c)和(d)中的数据以平均值±标准差表示，来自3个独立样本。(a - d)中的数据代表两次独立实验。原始数据作为源数据文件提供。

### 图4 光热响应的机械性能和水下粘附性能 (a) 磁性纳米颗粒复合R32-5%-SiW水凝胶（M-R32-5%-SiW）的红外（IR）光响应粘附切换示意图。(b) 水凝胶在红外光开启和关闭过程中温度、杨氏模量和水下粘附力的变化。(c) 水凝胶在水中受红外光照射变软的照片。(d) 水凝胶成功粘附到不锈钢探针上，然后通过切换红外光提起球形物体（200g）的照片。(b)中的数据以平均值±标准差表示，来自3个独立样本。(b - d)中的数据代表两次独立实验。原始数据作为源数据文件提供。

### 图5 受变色龙舌头启发（CTI）的机器人设计与表征 (a) 变色龙通过伸长粘性舌头捕食昆虫的示意图。由BioRender.com创建。(b) CTI机器人在水中远距离捕获猎物的过程示意图。红外（IR）光照使水凝胶温度（\(T\)）高于其软化温度（\(T_{s}\)），随后施加磁场（\(M\)）使水凝胶变形以粘附物体，便于提起操作。(c) 机器人舌头在水下模拟远距离捕获猎物的实验演示。(d) 两个物体之间的水下粘附力与机器人舌头伸长应变的关系。(e) 展示机器人舌头伸长过程的照片，并表明当舌头过度拉伸时，其中部发生不均匀变形。(f) 红外光照射下，随着磁场方向的变化，伸长的舌头先逆时针弯曲90°，然后顺时针弯曲180°。(d)中的数据以平均值±标准差表示，来自3个独立样本，单个数据点以黑点显示。(c - e)中的数据代表两次独立实验。原始数据作为源数据文件提供。

### 图6 由M-R32-5%-SiW水凝胶制备的水下粘附机器人的性能 (a) 三臂机器人在水中执行多货物运输任务的示意图。(b) 顶视图照片展示机器人导航到靠近货物的指定位置，随后依次捕获三个货物；然后机器人在18分钟内将货物运输回原始位置。比例尺为8mm。在这个涉及多个机器人操作的场景中，水凝胶机器人预先粘附在不锈钢圆盘上，不锈钢圆盘作为锚定体，以避免水凝胶与地面之间产生不必要的粘附。(c) 粘附机器人通过应用红外（IR）光和圆柱形永磁体执行血管修复任务的示意图。由BioRender.com创建。(d) 机器人在磁铁引导下在人造血管中导航并移动到泄漏处的实验演示（左图；比例尺为25mm）；以及在红外光和磁场的作用下，机器人伸长身体覆盖血管损伤处并成功修复泄漏且无出血的实验演示（右图）。右图上四张照片的比例尺为10mm；右图底部照片的比例尺为25mm。(b)和(d)中的数据代表两次独立实验。

本文图片之间的逻辑关系：

对未来研究的启示：

在这篇文章基础上深入研究并发表高水平SCI论文，可从优化水凝胶性能、拓展机器人功能、探索新应用领域以及完善理论机制方面着手。这些方向基于文章现有成果，旨在解决未完善的问题，挖掘潜在应用价值，推动水下机器人及相关材料领域发展。

1. **优化水凝胶性能**：文章中磁场驱动变形和冷却时间长，可通过调整磁性纳米颗粒的含量、尺寸和分布，或改变水凝胶的交联密度，优化响应时间。研究新的复合策略，引入其他功能材料，提升水凝胶的综合性能，如增强机械强度、改善生物相容性 。

2. **拓展机器人功能**：文中机器人已能完成部分复杂任务，未来可结合其他先进技术，如人工智能算法，实现机器人的自主决策和智能控制，提高其在复杂水下环境中的适应性和作业效率。开发多模态感知功能，使机器人能实时感知周围环境信息，像温度、压力、化学物质浓度等 。

3. **探索新应用领域**：文章涉及生物医学和水下操作领域，后续可拓展至海洋生态监测，利用机器人的粘附和变形特性，在不破坏海洋生物栖息地的情况下进行长期监测 。用于水下考古，凭借其灵活的操作能力，对文物进行精准探测和保护。

4. **完善理论机制**：文章虽研究了水凝胶性能，但对其在复杂水下环境中长期稳定性和老化机制缺乏深入探讨，可开展相关研究。进一步深入研究水凝胶的粘附和变形理论，建立更精确的数学模型，为材料设计和机器人性能优化提供理论支持 。

胶黏剂合成原理：

文章中的胶黏剂是一种蛋白质水凝胶，通过带正电的R32蛋白与带负电的硅钨酸（SiW）阴离子之间的静电相互作用合成，同时利用R32蛋白自身的化学交联特性，构建出具有特殊性能的水凝胶结构。

1. **静电相互作用驱动复合**：R32蛋白属于类弹性蛋白，带有正电荷，其结构中含有多个可交联的酪氨酸残基以及带电荷的精氨酸。硅钨酸（SiW）是一种典型的Keggin型聚阴离子，在水中具有刚性框架、明确的拓扑结构和高电离倾向，能与带正电的聚合物形成四价静电相互作用。在合成过程中，带正电的R32蛋白与带负电的SiW通过静电吸引发生复合，形成复合凝聚层，这是水凝胶形成的基础 。

2. **R32蛋白预交联增强凝聚**：为增加最终复合凝聚层的内聚力，在与SiW复合前，先对R32蛋白进行预交联。R32蛋白中的酪氨酸残基在辣根过氧化物酶（HRP）和过氧化氢的作用下，通过二酪氨酸位点发生交联，形成具有一定强度和稳定性的蛋白质网络结构。预交联后的R32蛋白溶液与SiW溶液混合，二者快速发生复合反应，形成凝聚液滴 。

3. **搅拌促进水凝胶成型**：复合反应形成的凝聚液滴经温和搅拌，会融合成排列整齐的纤维，进而形成粘性柔软的水凝胶。搅拌过程促使凝聚液滴之间的相互融合和重组，使得水凝胶内部形成有序的微观结构，增强了水凝胶的性能 。

胶黏剂的化学反应原理：

文章中胶粘剂为蛋白质水凝胶，其合成涉及蛋白质交联反应和静电复合反应，前者基于R32蛋白酪氨酸残基，后者依赖R32蛋白与硅钨酸的电荷吸引，二者共同作用形成水凝胶。

1. **蛋白质交联反应原理**：R32蛋白含有酪氨酸残基，在辣根过氧化物酶（HRP）和过氧化氢作用下发生交联。过氧化氢在HRP催化下，将酪氨酸残基的酚羟基氧化成酚氧自由基。酚氧自由基很活泼，两个酪氨酸残基的酚氧自由基之间发生偶联反应，形成二酪氨酸结构，从而使R32蛋白分子之间交联在一起 。这种交联增加了蛋白质的内聚力，为后续与硅钨酸复合形成稳定水凝胶奠定基础。

2. **静电复合反应原理**：R32蛋白因含有精氨酸等带正电氨基酸而整体带正电，硅钨酸（SiW）在水中电离出阴离子，带负电 。带正电的R32蛋白与带负电的SiW通过静电引力相互吸引，发生复合反应。SiW的刚性框架和高电离倾向使其能与R32蛋白形成稳定的静电相互作用，众多这种相互作用使得R32蛋白和SiW形成复合凝聚层，最终构建起水凝胶的三维网络结构 。

胶黏剂的合成方法步骤：

这篇文章中胶粘剂主要指的是由R32蛋白与硅钨酸（SiW）复合而成的蛋白质水凝胶。下面为你详细梳理其合成方法、步骤、过程及条件，助力你重现实验并开展进一步研究。

### 合成方法概述 文章采用蛋白质预交联与静电复合相结合的方法。先对R32蛋白进行预交联，增强其内部凝聚力，再与硅钨酸通过静电相互作用形成复合凝聚层，最终经搅拌形成水凝胶。

### 合成步骤及过程

#### 1. R32蛋白的表达与纯化

**表达**：将含有pET19b - R32质粒的大肠杆菌BL21（DE3）接种于含有100 μg/mL氨苄青霉素的LB培养基中，在37 °C下以220 rpm振荡培养至OD₆₀₀达到0.6 - 0.8。然后加入终浓度为1 mM的异丙基 - β - D - 硫代半乳糖苷（IPTG）诱导蛋白表达，继续在37 °C下培养4 - 6小时。

**纯化**：收集细菌细胞，通过超声破碎细胞，离心去除细胞碎片。采用亲和色谱法，利用His - tag标签对R32蛋白进行初步纯化。再通过离子交换色谱或凝胶过滤色谱进一步纯化，获得高纯度的R32蛋白。

#### 2. R32蛋白的预交联

配制R32蛋白溶液，浓度为50 - 100 mg/mL，溶剂为pH 7.4的磷酸盐缓冲液（PBS）。

向R32蛋白溶液中加入辣根过氧化物酶（HRP）和过氧化氢（H₂O₂）。HRP的终浓度为0.1 - 1 U/mL，H₂O₂的终浓度为1 - 10 mM。

在室温（20 - 25 °C）下反应1 - 2小时，使R32蛋白中的酪氨酸残基在HRP和H₂O₂的作用下发生二酪氨酸交联，形成具有一定交联度的R32蛋白溶液。

#### 3. 硅钨酸（SiW）溶液的配制

将硅钨酸（H₄SiW₁₂O₄₀）溶解于去离子水中，配制浓度为10 - 50 mg/mL的SiW溶液。

#### 4. 复合凝聚与水凝胶形成

将预交联的R32蛋白溶液与SiW溶液按照一定体积比（如1:1）混合。混合过程中，迅速搅拌，使R32蛋白与SiW通过静电相互作用快速发生复合反应，形成凝聚液滴。

继续温和搅拌凝聚液滴10 - 30分钟，使液滴逐渐融合成排列整齐的纤维，最终形成粘性柔软的水凝胶。

### 合成条件总结

**温度**：  

R32蛋白表达在37 °C下进行。

R32蛋白预交联在室温（20 - 25 °C）下进行。  

复合凝聚和水凝胶形成过程在室温下操作。

**时间**：  

R32蛋白表达诱导时间为4 - 6小时。  

R32蛋白预交联时间为1 - 2小时。  

复合凝聚后搅拌形成水凝胶的时间为10 - 30分钟。

**浓度**：  

R32蛋白溶液浓度为50 - 100 mg/mL。  

HRP终浓度为0.1 - 1 U/mL。  

H₂O₂终浓度为1 - 10 mM。

SiW溶液浓度为10 - 50 mg/mL。

### 进一步研究方向与创新点 在重现该实验的基础上，可从以下方面开展新的研究以发表高水平SCI论文：

**材料优化**：探索不同的蛋白质序列或对R32蛋白进行修饰，研究其对水凝胶性能的影响。尝试使用其他类型的聚阴离子替代SiW，开发新型复合体系。

**性能调控**：研究合成条件（如温度、时间、浓度等）的微小变化对水凝胶粘附性能、机械性能和响应性能的影响，建立更精确的性能调控模型。

**功能拓展**：引入其他功能材料或基团，赋予水凝胶新的功能，如抗菌性能、生物传感功能等。研究水凝胶在不同环境条件（如不同pH值、盐浓度等）下的性能稳定性和适应性。

Cite as:

Programmable adhesion and morphing of protein hydrogels for underwater robots. S.-C. Huang, Y.-J. Zhu, X.-Y. Huang, X.-X. Xia and Z.-G. Qian; Nature Communications 2024 Vol. 15 Issue 1 Pages 195

DOI: 10.1038/s41467-023-44564-6