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快过子弹？这款蛋白质“装甲”不怕

时间：2023-01-14 来源：浏览：

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人类的战争史，也是单兵武器的进化史。从石头、弓弩到枪炮，出手速度越来越快，杀伤力也越来越大。与之相应，单兵防具也在进化，从兽皮、铠甲到复合材料防弹衣，防护能力也越来越强。当前防弹衣中的防弹装甲，通常都是由纤维增强复合材料支撑的陶瓷面多层体系。当遭到打击时，坚硬但易碎的陶瓷面能够破坏弹头，将动能分布在后面的复合材料中，复合材料吸收部分动能并捕获破碎的陶瓷，由此保护穿戴者。尽管这种装甲体系能有效地阻挡弹头穿透，但剩余的动能仍然会作用在穿戴者身上，经常在装甲后造成严重钝伤。此外，这种笨重的装甲体系遭到打击后结构完整性会受损，造成不可逆的损坏，无法进一步使用。

为了解决这些问题，近期英国 肯特大学Jennifer R. Hiscock 和 Benjamin T. Goult 等研究者将视线转向了自然界， 利用基于蛋白质talin的水凝胶材料实现了有效的能量耗散。 具体来说，他们将一种重组形式的力敏蛋白talin作为单体，在交联剂存在下发生交联形成聚合物水凝胶，并将其命名为“talin吸震材料（talin shock absorbing material，TSAM）”。实验表明，当受到速度为1.5 km/s的超音速弹丸射击时，TSAM不仅不被穿透并吸收冲击，而且可以完整地捕获并保存弹丸。值得一提的是，当前一般枪支的枪口初速要远低于本研究所用弹丸的1.5 km/s，仅为0.4-1.0 km/s，比如著名的AK-47突击步枪，枪口初速约为0.7-0.8 km/s，而美制M16突击步枪，枪口初速约为0.9-1.0 km/s。

TSAM材料的设计理念概览。图片来源： bioRxiv

在细胞中，力敏蛋白talin（上图a）介导肌动蛋白细胞骨架和整合素细胞外基质受体之间的连接。先前的工作发现，在生理相关范围内被拉伸时，talin通过其多个螺旋棒结构域的去折叠/重折叠事件，能够将所受的平均力维持在10 pN以下。去除外力之后，talin的螺旋棒结构域可发生高保真重折叠，在多次力循环中亦是如此。这些结果说明，talin蛋白就是细胞的“减震器”，这也给了作者灵感。借助蛋白质工程技术，他们设计了一种重组蛋白pGEL，它包括三个talin螺旋棒结构域R1-R3，用作形成聚合物的单体。进一步使用三价交联剂（化合物 2 ，上图b），pGEL发生交联并形成水凝胶，得到TSAM。当受到外力时，pGEL的三个螺旋棒结构域可发生逐步去折叠，从螺旋棒状（上图f）拉伸至开放螺旋状（上图g），甚至进一步拉伸，完全去折叠至线性多肽状（上图h），以耗散能量。

TSAM材料的表征。图片来源： bioRxiv

随后，作者对TSAM材料进行了表征。透射电子显微镜成像的TSAM证实了pGEL在晶格结构中的存在，显示孔径约为100 nm。扫描电子显微镜显示TSAM在微米尺度上包含典型的水凝胶多孔结构，含有宽度约为2 µm的长纤维和尺寸约为10 µm的微孔。这些发现表明，与交联剂连接的pGEL在纳米尺度上形成晶格，在微米尺度上形成更大的纤维状结构。在处理TSAM时，可观察到高水平的可伸缩性，在张力下可伸长超过3倍，外力去除后恢复到原始尺寸。TSAM的后续流变学表征为暴露于剪切应变时材料内部的talin结构域的诱导去折叠提供了强有力的证据，表明talin的能量耗散机制被成功地引入了TSAM。进一步，他们使用了绿色荧光蛋白标记的vinculin结构域1蛋白（GFP-VD1），证实了TSAM中talin结构域的去折叠直接导致了所观察到的流变学特征和材料性质。

TSAM材料的超音速撞击实验。图片来源： bioRxiv

最后，作者研究了TSAM在超音速弹丸撞击下的性能。20-70 μm的球形玄武岩颗粒被用作弹丸，测试的速度为1.5 km/s，实验示意图如上图a-c所示。毫无意外，用作对照的市售聚乙烯吡咯烷酮水凝胶被轻易破坏（上图d），水凝胶后面的胶带上有一个肉眼可见的孔（上图e），在铝背板上产生了一个直径1.33 mm的冲击坑（上图f）。而在类似的实验条件下，从正面角度看TSAM基本完好无损（上图g），没有检测到弹丸穿透到支撑胶带（上图h），也没有对铝背板造成可见损伤（上图i）。随后的扫描电镜分析发现了嵌在TSAM中的玄武岩颗粒（上图j），证实TSAM已经完全吸收了超音速玄武岩弹丸的撞击能量。此外，TSAM的透明度不错，让实验人员可以轻松地从TSAM中移除被捕获的弹丸。TSAM水凝胶中观察到多个玄武岩颗粒，保存了完好的球形（上图j-k），这说明TSAM可以很好地保护弹体。

在防弹衣之外，作者认为TSAM还适用于航空航天领域，用作能量耗散材料以有效地收集捕获空间碎片、空间尘埃和微流星体，以供进一步研究。TSAM还有希望帮助改进航空航天设备的设计，提高宇航员和航空航天器的安全性。Hiscock教授说:“这个项目源于基础生物学、化学和材料科学之间的跨学科合作，从而产生了这种令人惊叹的新型材料。对TSAM解决现实世界问题的潜在可能性，我们也正在积极开展相关研究。 ” ^[1]

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