大家好，今天我们来了解一项关于蛋白质驱动的水凝胶透镜的研究——《Toward Tunable Protein‐Driven Hydrogel Lens》发表于《Advanced Science》。我们的眼睛晶状体主要由蛋白质构成，在视觉中起重要作用。但人造光学系统要实现类似功能却不容易。近年来，虽有一些方法模仿人类晶状体，但存在各种问题。本研究旨在利用蛋白质和聚合物水凝胶的特性，制造出一种可调的蛋白质驱动水凝胶透镜，它具有透明、形状记忆等特点，有望为光学系统设计带来新突破。
*本文只做阅读笔记分享*
一、引言
人类的眼睛晶状体主要由蛋白质构成，它是一种透明的结构，在视觉中起着至关重要的作用。大多数人造光学系统通过控制透镜位移或使用透镜阵列来实现聚焦，而我们人类的晶状体则可以通过睫状肌来改变和操纵焦距，从而使物体聚焦。
近年来，虽然有一些方法来模仿人类晶状体的功能，比如流体、液晶、弹性体和生物聚合物基透镜等，但它们要么制备复杂，要么需要外部机械和电刺激。
二、BSA-PEGDA水凝胶的合成与表征
2.1 BSA的特点和应用
BSA是一种广泛研究、丰富且相对便宜的蛋白质，由于其结构多样性和构象灵活性，具有多种应用。
2.2 BSA-PEGDA水凝胶的合成过程
通过BSA表面的赖氨酸残基与PEGDA700的丙烯酸酯之间的aza-Michael加成反应生成BSA-PEGDA复合物。
将BSA-PEGDA复合物溶液与50mM LAP以19:1的体积比混合，倒入切头注射器中，在室温下用UV光（5.4mW cm−2）照射1分钟，使其形成水凝胶。最后将水凝胶挤压到TRIS溶液（20mM Tris，150mM NaCl，pH≈7.4）中进行平衡。
2.3 实验结果分析
ATR- FTIR分析表明，在BSA-PEGDA溶液的ATR-FTIR记录中，约1540cm−1处出现的峰对应于二级胺，证实了赖氨酸的成功修饰。
通过TNBS测定，发现PEGDA和BSA的浓度比会影响赖氨酸残基的功能化程度，当 PEGDA浓度从200mM降低到100mM时，赖氨酸功能化程度从13±1%降低到12±1%；当BSA浓度从2mM降低到0.5mM，而PEGDA浓度保持在200mM时，修饰百分比没有明显影响。
对BSA溶液、BSA-PEGDA混合物和水凝胶样品进行ATR-FTIR分析，通过对酰胺I 峰（1600 - 1700cm−1）进行傅里叶去卷积，观察到三个主要结构：β-折叠（1610 - 1630cm−1）、α-螺旋 I（1648-1660cm−1）和 β（1660 - 1689cm−1），所有样品中约20%为分子内β-折叠，约70%为α-螺旋，10%为β-转角，这与之前发表的结果一致。
三、BSA-PEGDA水凝胶的光学透明度和致动行为
3.1 水凝胶的透明度实验
观察水凝胶样品发现，0-200mM水凝胶不含BSA时表现出轻微的不透明度，光传输在450-550nm的蓝绿范围内低于80%。加入BSA后，水凝胶的透明度提高，2-200样品的透明度较高，在可见范围（400-700nm）内传输几乎达到≈95%。
2-100水凝胶样品在光传输方面有轻微改善，在短波长范围内表现出卓越的透明度（>95%）。通过cryo-SEM观察到，0-200mM水凝胶具有高度多孔的微观结构，孔径为数百纳米；0.5-200水凝胶中，由于BSA的整合，呈现出更致密的排列，层状形态更多，孔径更小；2-200mM水凝胶中，层状微结构减少，孔密度增加；2-100水凝胶中，呈现出更均匀的纤维多孔排列，孔径小于20nm。
3.2 水凝胶的致动行为实验
当蛋白质浓度增加而PEGDA浓度保持不变（100mM）时，双层水凝胶在酸性和碱性条件下的弯曲响应更显著；当蛋白质浓度降低时，水凝胶系统的弯曲行为几乎消失。
双层系统在酸性环境中表现出完全的循环行为，而在碱性溶液中，弯曲角度在每个浸泡周期后逐渐减小，在第三个周期后，水凝胶样品停止变形，失去可逆性。
增加PEGDA浓度会使更多的赖氨酸残基与PEGDA功能化，导致交联密度增加、BSA 域固定化程度提高、溶胀比降低和刚度增加。例如，当2-100双层系统浸入0.01M HCl时，其弯曲角度比2-200水凝胶致动器更高（120±8°vs 22±2°）；浸入TRIS溶液后，2-100 和2-200分别恢复到初始形状的80%和100%，且2-200恢复更快。
此外，还设计了一种花状双层水凝胶系统，在酸性条件下，花瓣会关闭（向上），在 TRIS 中会重新打开。
四、可调蛋白质驱动的水凝胶透镜
4.1 透镜的设计与制作
使用双层致动器概念制造平面-凸面双层水凝胶透镜，将2-100复合物作为活性层，0-200作为被动层，以1:1的体积比制成。
4.2 透镜的性能测试
测量透镜的折射率约为1.34，通过弯曲角度和弧长测量计算出曲率半径，进而确定焦距。初始时，透镜在TRIS溶液中的焦距为 f0 = 64±3mm，测量焦距为f0 = 63±2mm。将透镜浸入酸性溶液（0.01M HCl）中，会转变为凸-凹透镜，焦距减小到 f = 23±2mm，约2小时后达到。回到TRIS溶液中，焦距增加到44±3 mm。
通过替换0-200 mm BSA-PEGDA水凝胶为2-200 mM BSA-PEGDA水凝胶，成功控制焦距范围在58±2到41±0.5mm之间，并且透镜具有完全的恢复性。
五、总结与展望
5.1 本研究的优势
与其他研究中使用纳米颗粒来改善水凝胶透镜的透明度不同，本研究通过融BSA和 PEGDA两种生物相容性材料，形成共价键网络，制备出透明度高的水凝胶透镜，且避免了纳米颗粒带来的挑战，如聚集、不均匀分布和潜在的视觉扭曲，以及长期生物相容性的问题。
本研究首次共价结合少量BSA到PEGDA网络中，利用BSA的结构动力学和PEGDA 的透光特性，设计出透明可调的蛋白质驱动光学致动器。
与其他系统相比，本系统不需要复杂的外部触发系统，可利用生理条件如胃（pH≈2）和小肠（pH≈7.4）来调整焦距或改变生物相容性不可察觉致动器的形状，用于药物递送和传感应用。
本系统的焦距范围与人类晶状体相似（61.4到43.5 mm）。
5.2 本研究的应用前景
pH敏感透镜可用于光动力疗法，精确控制光传递，增强治疗效果。例如，在癌症治疗中，透镜可以根据肿瘤内的酸性pH环境调整形状，确保光敏剂的靶向和高效光激活，从而提高治疗效果。
可用于光遗传学，调节光强度和焦点。
可集成到微流体系统中，控制流体流动。例如，通过pH变化引起的透镜形状变化来控制微通道内的流体流动，可应用于芯片实验室技术和生化分析。
可用于医学成像，提高组织成像的清晰度和细节。
参考文献：
Kaeek M, Khoury LR. Toward Tunable Protein-Driven Hydrogel Lens. Adv Sci (Weinh). 2023 Dec;10(36):e2306862.
