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    美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校開(kāi)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(lái)組裝具有復雜結構的功能材料。研究人員稱(chēng)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節的光學(xué)、生物醫學(xué)和機械性能。該研究發(fā)表在10月20日的《自然》雜志上。

    來(lái)自大自然的靈感

    “大自然有獨特的能力，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、伯克利分校生物工程副教授李承旭（音譯）說(shuō)，“我們發(fā)現了一種方法，能用螺旋狀大分子模擬膠原蛋白，制造動(dòng)植物體內復雜的、具有各種功能的組織材料。”

    膠原蛋白是自然界最重要的結構之一。比如藍面狒狒（Mandrillus sphinx）臉上的顏色并非來(lái)自色素，而是因為在它們皮膚下面，有層次地分布著(zhù)絞在一起的膠原蛋白纖維束，產(chǎn)生了特殊的光散射而導致；垂直排列的膠原蛋白則是透明的，是構成角膜組織的基礎物質(zhì)；而螺絲錐形的膠原蛋白纖維，經(jīng)過(guò)和磷酸鈣的礦化作用后，能形成最堅硬的組織：骨骼和牙齒。

    “當我在舊金山動(dòng)物園里看到這些藍面狒狒時(shí)，幾乎被迷住了：它們膚色明亮、牙齒鋒利。而構成眼角膜、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(shuō)，膠原蛋白纖維經(jīng)過(guò)排列、彎曲，能形成特殊的光學(xué)效果和力學(xué)作用，這種簡(jiǎn)單的材料可用來(lái)構造功能多樣且復雜的結構。

    “我們開(kāi)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)導作者、李承旭實(shí)驗室的博士后研究員鄭佑齊（音譯）說(shuō)，“我們的工作就是從研究這種層級結構的影響因素開(kāi)始。但不幸的是，膠原蛋白這種材料太難研究，因為它的物理化學(xué)結構很難調整。我們需要一種更靈便的模型系統來(lái)解決這一問(wèn)題。”

    用病毒構建功能材料

    這種模型系統就是不同濃度的M13噬菌體鹽溶液。噬菌體只侵襲細菌而對人體無(wú)害，形狀很長(cháng)很像筷子，表面還有螺旋狀的槽，也像膠原蛋白纖維，非常適于作有機模型。“我們開(kāi)始理解大自然創(chuàng )造復雜結構的方式，并開(kāi)發(fā)出更容易的方法來(lái)模擬它，甚至拓展它。”李承旭說(shuō)。

    研究人員介紹說(shuō)，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(lái)，玻璃片上就附著(zhù)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(cháng)過(guò)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構。

    研究小組已經(jīng)利用該技術(shù)制造了3種完全不同的結構。比如用15毫克/毫升較低濃度的病毒溶液，能形成規則的條紋間隔，其中纖維彼此呈90度角；如果拉出速度更慢，會(huì )提高病毒運動(dòng)、方向方面的物理參數，當它們附著(zhù)在玻璃上時(shí)，就會(huì )自然地聚集在一起，絞成螺旋帶狀；而最復雜的結構就像“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)驗室的先進(jìn)光源對其檢測，發(fā)現這種高度有序化的結構能像棱鏡一樣彎曲光線(xiàn)，而這種彎曲方式是自然界或其他工程材料都沒(méi)有的。

    “用這種技術(shù)，我們能在組裝過(guò)程中精確調整影響動(dòng)力和熱力的因素，從而決定形成的結構類(lèi)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(shuō)。

    這種簡(jiǎn)單便捷的特性，預示了它們有望在制造行業(yè)大顯身手。人們設定了參數以后，組裝過(guò)程就會(huì )自動(dòng)進(jìn)行而不用管它。李承旭說(shuō)：“我們可以設定晚上開(kāi)始，到第二天早上就有了幾萬(wàn)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(guò)程還能用于生物醫療領(lǐng)域。研究人員用基因工程讓病毒表達一種特殊的多肽，來(lái)影響軟硬組織的生長(cháng)。用這種轉基因病毒薄膜作為引導磷酸鈣礦化作用的組織模板，生成了類(lèi)似牙齒釉質(zhì)的混合物，將來(lái)能作為一種可再生的組織材料。