智能机器人Nature子刊：1秒内自愈机械损伤多肽材料 |

背景
自修复对于在动态和现实环境中运行的软执行器和机器人是必不可少的，因为这些机器容易受到机械损坏（如刺伤，撕裂和割伤）。然而，当前的自修复材料有限制其实际应用的缺点，例如治疗强度低和治疗时间长。近年来，可拉伸的自愈材料已被广泛研究，这些材料在受损后可恢复其结构和性能。例如通过血管化或封装治疗剂进行体外自我复，以及通过Diels-Alder反应、二硫键的动态共价键、超分子非共价（如氢键、金属离子配位、离子相互作用和范德华力）进行体内自修复。这些自愈材料有些已整合到软机器人平台（如软驱动器、电子和装置）。但仍存在许多限制它们的性能和实际应用的缺陷，比如，通常需要连续提供单体和催化剂、在修复过程中会失去功能、修复后机械强度低、需要高能量输入以触发自修复、需要较长的愈合时间（通常大于24小时）。
为了克服这些挑战，德国马克斯普朗克智能系统研究所Melik C. Demirel团队合成串联重复序列蛋白，并为软机器人应用开发坚固、快速自修复的材料（图1a），它们可以在1s内通过局部加热自我修复微观和宏观机械损伤。这些材料经过系统优化，以改善其氢键结合的纳米结构和网络形态，具有可编程的愈合特性（愈合1s后强度为2-23 MPa），其性能超过其他天然和合成软材料的几个数量级。这种生物合成蛋白质消除了自我修复材料中先前存在的局限性。结果以“Biosynthetic self-healing materials for soft machines”为题发表在《Nature Materials》.
【智能机器人Nature子刊：1秒内自愈机械损伤多肽材料】

本文插图
图1：受到头足类启发的生物合成蛋白。 a ，通过分析鱿鱼蛋白质，设计鱿鱼启发的主序列以及生物合成蛋白质库，产生了基于蛋白质的功能性自修复材料，用于软促动器和机器人。 b ，天然Loligo vulgaris蛋白复合物和生物合成TRn4 ， TRn7 ， TRn11和TRn25多肽的蛋白大小。 c ，生物合成串联重复多肽的纳米结构由通过柔性链（黄色）连接的β-片状纳米晶体网络（蓝色）组成。 d ，由于优化的网络形态，鱿鱼启发的蛋白质（在室温下）的自愈特性比天然蛋白质优越鱿鱼启发的生物合成蛋白
鱿鱼启发性结构单元（TRn4 ， TRn7 ， TRn11和TRn25 ，的n = 4、7、11和25）是串联重复（TRs）的生物合成蛋白，分子量分别为15.8、25.7、39.4和84.6 kDa ，跨越天然蛋白的肽段长度（图1b）。在氨基酸序列的驱动下，串联重复多肽自组装成超分子的β-折叠稳定网络（图1c）。蛋白质网络可能存在由分子引起的缺陷（例如悬空的末端或环），会降低材料的性能，这在软物质物理和化学领域一直是一项长期挑战。通过精确控制多肽中的串联重复（n= 4至25），作者将分子缺陷密度从“全缺陷”网络（TRn4）调整为“接近完美”网络（TRn25），并优化其网络形态。串联重复生物合成多肽的物理特性（如室温下的蛋白质内聚力）超过了同一族群的天然和重组鱿鱼衍生蛋白（图1d）。这种蛋白材料具有优秀的自愈性能，能用来开发生物基自修复材料，用于需要机械强度和快速修复动力学的应用。自我修复机制和性能
由于通过氢键是非共价，通过蛋白质基质和β-折叠纳米结构的链扩散和物理交联，蛋白质网络损伤后快速修复（图2a）。相比于通过其他化学方法的自愈过程，这种基于蛋白质的材料在修复过程中不会失去机械稳定性，并且不需要从熔融或液态状态重新形成整体网络结构，从而可以更快地修复。为了了解蛋白质系统中愈合过程的强度和动力学，作者研究了两个水合蛋白质表面之间的内聚力。随着温度的升高，蛋白质链的迁移率升高，这可以软化材料并促进链段在分离后在各个部分快速扩散。因此，温度可控制愈合动力学，从而实现定制性能。例如，尽管在室温下能够实现自愈，为了获得最佳的动力学和强度，可通过将温度升至50°C来加速愈合，然后通过冷却回室温来加强愈合。利用这种温度促进的愈合行为，能够开发蛋白质材料的快速、高强度的自愈策略。这种多肽材料在极短的愈合时间（1 s）内机械强度高达23±1 MPa