响应型形变材料在微流体开关，人工肌肉以及软体机器人等领域具有广泛应用。动态水凝胶因其对不同物理和化学刺激的响应，在构建形变材料领域有独特优势。虽然高分子水凝胶在形状记忆及形变材料领域已有显著进展，但是构建基于蛋白质的形状记忆和形变材料仍然是一个挑战。通过利用不同蛋白质的折叠及解折叠过程对于水凝胶的溶胀性能和杨氏模量的动态影响，加拿大不列颠哥伦比亚大学李宏斌教授研究团队提出并构建了具有形变性能的双层结构蛋白质水凝胶，并实现了由一维到二维和二维到三维的复杂水凝胶材料形状变化。

  研究者采用两种球型蛋白质GB1和FL为基元的多聚蛋白(GB1)8和(FL)8来分别构建水凝胶的双层结构。这两种蛋白热力学稳定性不同，因此在相同浓度的蛋白变性剂盐酸胍中具有不同的解折叠程度。因此这两种蛋白质的水凝胶在相同浓度的盐酸胍中呈现不同的溶胀度，而且该差异会随着盐酸胍浓度的变化而改变。基于这种层间溶胀差异性， (GB1)8/(FL)8 双层水凝胶在PBS溶液中会向(FL)8 层弯曲。而随着盐酸胍浓度的升高，(GB1)8/(FL)8 双层水凝胶呈现出先变直再反向弯曲的动态形状变化。这种双向动态形状变化高度可逆，并且可借由改变水凝胶层的厚度、厚度比例以及蛋白质浓度来调整形变程度。

图一：a) 脱模之后的(GB1)8/(FL)8 双层水凝胶呈现直立形态。b) (GB1)8/(FL)8 双层水凝胶在不同盐酸胍浓度下呈现动态形状变化。c) (GB1)8/(FL)8双层水凝胶在不同盐酸胍浓度下的弯曲角度变化。d) (GB1)8/(FL)8双层水凝胶的形态变化具有高度可逆性。e) 水凝胶层厚度比例对于(GB1)8/(FL)8 双层水凝胶在PBS 中弯曲角度的影响。f) (FL)8层蛋白质浓度对于(GB1)8/(FL)8 双层水凝胶在PBS中弯曲角度的影响。

  通过先将蛋白质变性再交联的方式来制作(FL)8水凝胶层（DC-FL)8），研究者进一步扩大 了两层蛋白质水凝胶之间的溶胀及机械性能差异，从而进一步提高了双层水凝胶的形变程度。在此基础上，研究者将(GB1)8/DC-(FL)8 双层水凝胶作为“合页” 镶嵌入均质水凝胶中， 并通过设计和改变双层“合页”的位置和宽度，实现了由线条到三角形、正方形以及菱形的胶体形状转变。此外，借助双层水凝胶“合页”的强带动力，二维平面水凝胶可以折叠成三维立体方块结构，预示出实现更复杂的立体水凝胶结构的可能性。

图二：a) (GB1)8/DC-(FL)8双层水凝胶在不同盐酸胍浓度下呈现动态形状变化。b) 以(GB1)8/DC-(FL)8双层水凝胶为“合页”来实现水凝胶的折叠形态变化。c) 折叠角度与“合页”宽度之间呈现线性关系。d) 同过控制(GB1)8/DC-(FL)8双层水凝胶“合页”宽度和位置设计，实现条状水凝胶由一维到二维的形状改变。e) 借助双层水凝胶“合页”的强带动力，二维平面水凝胶可以折叠成三维立体方块结构。

  本研究证实了蛋白质折叠和解折叠可被作为一种通用方法来构建蛋白质形变材料。由于球型蛋白质折叠和解折叠的普遍性和对于不同刺激的广泛响应性，利用由此产生的水凝胶溶胀及机械性能差异和双层结构的构建，将使球型蛋白质水凝胶在形状记忆及形变材料领域实现新的突破和应用。该工作以Engineering shape memory and morphing protein

hydrogels based on protein unfolding and folding”为题发表在Nature Communications ( Nat Commun 13, 137 (2022). 文章第一作者为博士生边清源。该研究得到加拿大国家自然科学与工程研究委员会的资助。

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27744-0