寧波材料所在離子型聚氨酯和類Piezo 2離子皮膚方面取得重要進(jìn)展
2021年諾貝爾獎(jiǎng)最近陸續(xù)揭曉了，其中諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了美國(guó)科學(xué)家David J. Julius和Ardem Patapoutian，以表彰他們?cè)谕从X和觸覺研究方面所作出的貢獻(xiàn)。人類自誕生以來，一直對(duì)自身如何感知世界而感到好奇，但是一直不清楚神經(jīng)系統(tǒng)是如何感知環(huán)境的。Julius利用辣椒素，發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞中存在一種離子通道蛋白TRPV1，在疼痛和熱的感知中起著核心作用。而另一位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Patapoutian則揭示了觸覺的奧秘。Patapoutian與課題組合作者從小鼠細(xì)胞入手，經(jīng)過長(zhǎng)期的努力，最終在哺乳動(dòng)物的細(xì)胞上發(fā)現(xiàn)了Piezo 1和Piezo 2這兩種用于感應(yīng)壓力的通道蛋白。在一般狀態(tài)下，Piezo 2蛋白呈閉合狀態(tài)，細(xì)胞膜內(nèi)外電位保持平衡。在按壓狀態(tài)下，由于細(xì)胞膜的張力，蛋白通道被打開，細(xì)胞外陽(yáng)離子被擠入細(xì)胞內(nèi)，破壞了離子平衡，使得穿過膜的離子電流發(fā)生了變化，產(chǎn)生了電信號(hào)。神經(jīng)元將該電信號(hào)傳遞至中樞神經(jīng)系統(tǒng)，在大腦中產(chǎn)生信息。
受到Piezo 2蛋白的啟發(fā), 中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所生物基高分子材料團(tuán)隊(duì)將離子液體（IL）與含有離子鍵的離子型聚氨酯（i-PU）混合，制備了一種以離子為傳輸介質(zhì)的新型離子皮膚I-Skin-i。在此，i-PU被用來模仿通道蛋白Piezo 2，離子液體被用來模仿細(xì)胞內(nèi)外的傳輸離子。按壓前，由于離子間相互作用，i-PU能夠通過離子鍵相互作用吸引住離子液體中的正負(fù)離子，類似于閉合狀態(tài)的Piezo 2通道蛋白。在按壓過程中，i-PU分子鏈之間的空間被壓縮，與i-PU結(jié)合較弱的離子被擠壓至表面，類似Piezo 2通道蛋白被打開并完成離子傳輸。正負(fù)離子的遷移形成雙電層，產(chǎn)生了電容信號(hào)。此時(shí)，該離子皮膚如同細(xì)胞膜上的Piezo 2蛋白，能夠完成“將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換成化學(xué)信號(hào)輸出”這一過程。并且由于i-PU中含有離子鍵，因此以i-PU為基底制備的I-Skin-i具有自修復(fù)的功能。最后，就可將I-Skin-i貼在人體不同部位，感知從呼吸到跳躍的動(dòng)作，在穿戴式健康監(jiān)測(cè)設(shè)備方面展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛質(zhì)。
該工作以“A self-healing and ionic liquid affiliative polyurethane toward a Piezo 2 protein inspired ionic skin”為題，發(fā)表在Adv. Funct. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adfm.202106341。中科院寧波材料所陳超博士為第一作者，應(yīng)鄔彬副研究員、張若愚研究員和朱錦研究員為通訊作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（51773218、52003278）、浙江省自然科學(xué)基金（LQ19E030005）、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018C03G3220872）和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2018338）的資助。
圖1 Piezo 2 蛋白的工作原理和離子皮膚I-Skin-i的工作機(jī)制
圖2 離子型聚氨酯i-PU的自愈合性能
圖3 離子皮膚I-Skin-i的實(shí)際應(yīng)用
(高分子與復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室 陳超)