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    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展
    作者:,日期:2021-10-19

      2021年諾貝爾獎最近陸續揭曉了,其中諾貝爾醫學獎頒給了美國科學家David J. Julius和Ardem Patapoutian,以表彰他們在痛覺和觸覺研究方面所作出的貢獻。人類自誕生以來,一直對自身如何感知世界而感到好奇,但是一直不清楚神經系統是如何感知環境的。Julius利用辣椒素,發現了細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胞入手,經過長期的努力,最終在哺乳動物的細胞上發現了Piezo 1和Piezo 2這兩種用于感應壓力的通道蛋白。在一般狀態下,Piezo 2蛋白呈閉合狀態,細胞膜內外電位保持平衡。在按壓狀態下,由于細胞膜的張力,蛋白通道被打開,細胞外陽離子被擠入細胞內,破壞了離子平衡,使得穿過膜的離子電流發生了變化,產生了電信號。神經元將該電信號傳遞至中樞神經系統,在大腦中產生信息。

      受到Piezo 2蛋白的啟發, 中國科學院寧波材料技術與工程研究所生物基高分子材料團隊將離子液體(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胞內外的傳輸離子。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離子,類似于閉合狀態的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。正負離子的遷移形成雙電層,產生了電容信號。此時,該離子皮膚如同細胞膜上的Piezo 2蛋白,能夠完成“將機械信號轉換成化學信號輸出”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作,在穿戴式健康監測設備方面展現了巨大的應用潛質。

      該工作以“A self-healing and ionic liquid affiliative polyurethane toward a Piezo 2 protein inspired ionic skin”為題,發表在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。該工作得到了國家自然科學基金(51773218、52003278)、浙江省自然科學基金(LQ19E030005)、浙江省重點研發計劃(2018C03G3220872)和中國科學院青年創新促進會(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的實際應用

      (高分子與復合材料實驗室 陳超)

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