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美國加利福尼亞大學伯克利分校開發出一種新奇的方法，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雜結構的功能材料。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節的光學、生物醫學和機械性能。該研究發表在10月20日的《自然》雜志上。 來自大自然的靈感 “大自然有獨特的能力，能用膠原蛋白、甲殼質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。”該研究領導、伯克利分校生物工程副教授李承旭（音譯）說，“我們發現了一種方法，能用螺旋狀大分子模擬膠原蛋白，制造動植物體內復雜的、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（Mandrillussphinx）臉上的顏色并非來自色素，而是因為在它們皮膚下面，有層次地分布著絞在一起的膠原蛋白纖維束，產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；而螺絲錐形的膠原蛋白纖維，經過和磷酸鈣的礦化作用后，能形成最堅硬的組織：骨骼和牙齒。 “當我在舊金山動物園里看到這些藍面狒狒時，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，膠原蛋白纖維經過排列、彎曲，能形成特殊的光學效果和力學作用，這種簡單的材料可用來構造功能多樣且復雜的結構。 “我們開始注意膠原蛋白怎樣在有限的空間里排列，在環境的影響下怎樣組裝成了各種組織。”論文領導作者、李承旭實驗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構的影響因素開始。但不幸的是，膠原蛋白這種材料太難研究，因為它的物理化學結構很難調整。我們需要一種更靈便的模型系統來解決這一問題。” 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，非常適于作有機模型。“我們開始理解大自然創造復雜結構的方式，并開發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小時到10個小時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過程中的蒸發率，這些因素決定了病毒最終所形成的樣式結構。 研究小組已經利用該技術制造了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，會提高病毒運動、方向方面的物理參數，當它們附著在玻璃上時，就會自然地聚集在一起，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驗室的先進光源對其檢測，發現這種高度有序化的結構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，我們能在組裝過程中精確調整影響動力和熱力的因素，從而決定形成的結構類型，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，預示了它們有望在制造行業大顯身手。人們設定了參數以后，組裝過程就會自動進行而不用管它。李承旭說：“我們可以設定晚上開始，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療領域。研究人員用基因工程讓病毒表達一種特殊的多肽，來影響軟硬組織的生長。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，生成了類似牙齒釉質的混合物，將來能作為一種可再生的組織材料。 |
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