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    美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校開發(fā)出一種新奇的方法，用一種良性的病毒——噬菌體作為工具，模擬膠原蛋白來組裝具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能材料。研究人員稱該方法為“自模板材料組裝”，其制造成的特殊功能材料擁有可調(diào)節(jié)的光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和機(jī)械性能。該研究發(fā)表在10月20日的《自然》雜志上。

    來自大自然的靈感

    “大自然有獨(dú)特的能力，能用膠原蛋白、甲殼質(zhì)和纖維素等非常基本的建材構(gòu)造出具有各種功能的材料，我們從自然界獲得了靈感。”該研究領(lǐng)導(dǎo)、伯克利分校生物工程副教授李承旭（音譯）說，“我們發(fā)現(xiàn)了一種方法，能用螺旋狀大分子模擬膠原蛋白，制造動(dòng)植物體內(nèi)復(fù)雜的、具有各種功能的組織材料。”

    膠原蛋白是自然界最重要的結(jié)構(gòu)之一。比如藍(lán)面狒狒（Mandrillus sphinx）臉上的顏色并非來自色素，而是因?yàn)樵谒鼈兤つw下面，有層次地分布著絞在一起的膠原蛋白纖維束，產(chǎn)生了特殊的光散射而導(dǎo)致；垂直排列的膠原蛋白則是透明的，是構(gòu)成角膜組織的基礎(chǔ)物質(zhì)；而螺絲錐形的膠原蛋白纖維，經(jīng)過和磷酸鈣的礦化作用后，能形成最堅(jiān)硬的組織：骨骼和牙齒。

    “當(dāng)我在舊金山動(dòng)物園里看到這些藍(lán)面狒狒時(shí)，幾乎被迷住了：它們膚色明亮、牙齒鋒利。而構(gòu)成眼角膜、皮膚和牙齒這些功能組織的基本材料都一樣，那就是膠原蛋白。”李承旭說，膠原蛋白纖維經(jīng)過排列、彎曲，能形成特殊的光學(xué)效果和力學(xué)作用，這種簡單的材料可用來構(gòu)造功能多樣且復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

    “我們開始注意膠原蛋白怎樣在有限的空間里排列，在環(huán)境的影響下怎樣組裝成了各種組織。”論文領(lǐng)導(dǎo)作者、李承旭實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員鄭佑齊（音譯）說，“我們的工作就是從研究這種層級結(jié)構(gòu)的影響因素開始。但不幸的是，膠原蛋白這種材料太難研究，因?yàn)樗奈锢砘瘜W(xué)結(jié)構(gòu)很難調(diào)整。我們需要一種更靈便的模型系統(tǒng)來解決這一問題。”

    用病毒構(gòu)建功能材料

    這種模型系統(tǒng)就是不同濃度的M13噬菌體鹽溶液。噬菌體只侵襲細(xì)菌而對人體無害，形狀很長很像筷子，表面還有螺旋狀的槽，也像膠原蛋白纖維，非常適于作有機(jī)模型。“我們開始理解大自然創(chuàng)造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的方式，并開發(fā)出更容易的方法來模擬它，甚至拓展它。”李承旭說。

    研究人員介紹說，他們的技術(shù)要求把一片玻璃浸入病毒液中，然后以精確的速度緩慢拉出來，玻璃片上就附著上一層新鮮的病毒薄膜。拉出的速度可以在10微米/分鐘到100微米/分鐘，這樣要1小時(shí)到10個(gè)小時(shí)能處理完一整張玻璃片。調(diào)整溶液中的病毒濃度和拉出速度，就能控制液體的黏性、表面張力和薄膜增長過程中的蒸發(fā)率，這些因素決定了病毒最終所形成的樣式結(jié)構(gòu)。

    研究小組已經(jīng)利用該技術(shù)制造了3種完全不同的結(jié)構(gòu)。比如用15毫克/毫升較低濃度的病毒溶液，能形成規(guī)則的條紋間隔，其中纖維彼此呈90度角；如果拉出速度更慢，會(huì)提高病毒運(yùn)動(dòng)、方向方面的物理參數(shù)，當(dāng)它們附著在玻璃上時(shí)，就會(huì)自然地聚集在一起，絞成螺旋帶狀；而最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)就像“方便面”，所用的病毒濃度在4毫克/毫升到6毫克/毫升，研究人員利用美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)光源對其檢測，發(fā)現(xiàn)這種高度有序化的結(jié)構(gòu)能像棱鏡一樣彎曲光線，而這種彎曲方式是自然界或其他工程材料都沒有的。

    “用這種技術(shù)，我們能在組裝過程中精確調(diào)整影響動(dòng)力和熱力的因素，從而決定形成的結(jié)構(gòu)類型，能控制順序、扭曲方向、薄膜紋理的寬度、高度和間隔。”鄭佑齊說。

    這種簡單便捷的特性，預(yù)示了它們有望在制造行業(yè)大顯身手。人們設(shè)定了參數(shù)以后，組裝過程就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行而不用管它。李承旭說：“我們可以設(shè)定晚上開始，到第二天早上就有了幾萬億的病毒纖維在基質(zhì)上排成我們想要的樣式。”

    此外，這種病毒組裝過程還能用于生物醫(yī)療領(lǐng)域。研究人員用基因工程讓病毒表達(dá)一種特殊的多肽，來影響軟硬組織的生長。用這種轉(zhuǎn)基因病毒薄膜作為引導(dǎo)磷酸鈣礦化作用的組織模板，生成了類似牙齒釉質(zhì)的混合物，將來能作為一種可再生的組織材料。