蛋白质水下软体机器人研究方面取得新进展

近日，上海交通大学生命科学技术学院、微生物代谢国家重点实验室研究团队率先创制了可编程驱动的蛋白质水下软体机器人，相关研究成果以“Programmable adhesion and morphing of protein hydrogels for underwater robots”为题发表于Nature Communications期刊。上海交通大学博士黄盛晨为第一作者，研究员钱志刚和教授夏小霞为共同通讯作者。

水凝胶是亲水高分子通过物理或化学交联形成的软材料，具有与天然组织器官相似的含水量和力学性能，在药物递送、组织工程和软体驱动等生物医学领域具有重要的应用前景。以生物分子蛋白质为结构单元构成的水凝胶，由于出色的生物相容性和可降解性等优势，近年来成为软材料研究的热点之一。然而，传统的蛋白质水凝胶力学性能较弱，通常不具有强变形及驱动控制能力，难以适合水下驱动的应用需求。

针对以上挑战，钱志刚研究组提出可编程黏附及形变的设计原理，以基因工程节肢弹性蛋白为原料，通过分子间共价和动态离子键双交联、剪切诱导的有序化组装，让固有无序的节肢弹性蛋白实现了从溶液向多级有序水凝胶的转变（图1）。获得的蛋白质水凝胶材料，不仅具有水下黏附、自愈合、高延展、高强度等多重理想功能，而且拥有可编程的热、光、磁刺激形变特性。这不仅实现了蛋白质水凝胶兆帕级拉伸模量和十倍可延展性的有机统一，而且赋予了按需切换水下黏附和变形能力，从而让以此为材质的原型机器人能够执行水下搬运、模型创口修补等复杂任务（图2），为蛋白质水凝胶机器人实现生物医学应用奠定了基础。

图1. 水下黏附蛋白质水凝胶的创制

图2. 蛋白质水下软体机器人的应用展示

该论文成果，不仅提出了水下软体机器人的可编程黏附及形变驱动新机制，而且为高强韧蛋白质水凝胶的构建提供了一种“有序化组装”的新方法。该研究获得科技部国家重点研发计划（2021YFA0909502）和国家自然科学基金（22075179和32270107）等研究项目的资助。