在有机溶剂中可编程组装机械强度高且功能性的聚合物-孢子生物复合材料

《Journal of the American Chemical Society》：Programmable Assembly of Mechanically Robust and Functional Polymer–Spore Biocomposites in Organic Solvent

动态共价键组装、Bacillus subtilis孢子、有机溶剂耐受性、可调机械性能、生物再生、thia-Michael反应、机械增强、催化功能|

　　微生物生物复合材料具备基因可编程性和再生功能，但其机械性能的可调性一直受到生物活性和存活所需温和条件的限制。本研究报道了一种可编程的自组装方法，通过将苯甲酰氰基乙酸（BCA）功能化的聚合物与**枯草芽孢杆菌**（*Bacillus subtilis*）芽孢结合，形成具有可调粘弹性与抗拉性能的坚固复合材料。芽孢外层暴露的半胱氨酸与BCA基团发生动态硫醇-迈克尔（thia-Michael）加成反应，形成具有高杨氏模量（>100 MPa）的动态硫醇-迈克尔网络。通过系统调控BCA的反应性以及共聚单体对聚合物动态特性的影响，实现了对材料刚度、应力松弛行为、微尺度形貌和共价生物封装的精准控制。引入经过基因工程改造的芽孢可赋予材料催化功能，且在溶剂触发的解离后仍能实现功能的再生。本研究构建了一个模块化的平台，使生物复合材料在机械和基因层面均可编程，从而在分子定义的界面中弥合合成材料与生物系统之间的鸿沟。

在生物复合材料的开发过程中，材料的物理性能和表现取决于其组分之间的界面相容性。建立生物粒子与聚合物基质之间的共价连接被认为是一种整合两者功能的有力方法，特别是当这些连接具有化学可调性、可逆性和刺激响应性时。因此，动态共价键因其结构相关的平衡常数（*K*_eq）和解离速率（*k*_d）而成为一种有效的工具，用于在界面处实现对机械性能的精确调控。同时，这种可逆性也有助于回收聚合物和芽孢，从而实现材料的循环利用和功能芽孢的再生。我们之前已经展示了通过动态共价硼酸酯键将苯基硼酸功能化的聚合物与芽孢表面糖类结合，形成具有可逆生物封装和可调刚度的水凝胶。在此基础上，我们设想利用**枯草芽孢杆菌**芽孢对有机溶剂的耐受性，扩展聚合物基质的设计空间，使材料能够在有机溶剂中实现机械性能的调控，同时保持功能活性。

在本研究中，我们通过在有机溶剂中使用BCA功能化的聚合物与芽孢进行动态共价自组装，制备了具有可编程机械性能的生物复合材料。研究首先确认了芽孢表面存在丰富的半胱氨酸残基，这些残基中的游离硫醇基团能够与BCA基团发生硫醇-迈克尔加成反应，形成动态共价网络。通过调节BCA基团的反应性和共聚单体的结构，我们能够控制材料的刚度、应力松弛行为、微尺度形貌和共价生物封装能力。研究进一步表明，这种自组装方法能够在不同溶剂环境中实现材料的可控解离，从而实现聚合物和芽孢的回收，并为后续功能的再生提供基础。

为了验证BCA与芽孢表面半胱氨酸之间的反应性，我们使用了多种分析手段，包括荧光显微镜、核磁共振（NMR）和拉曼光谱。这些技术共同证明了BCA基团能够与芽孢表面的硫醇基团发生可逆的共价键合，且反应的强度与BCA的电子亲和力密切相关。通过引入不同的取代基（如三氟甲基、氢原子和甲氧基），我们能够调节反应的平衡常数和解离速率，从而实现对材料性能的精确控制。例如，三氟甲基取代的BCA表现出更高的反应活性，能够形成更稳定的共价连接，进而提升材料的刚度和抗拉性能。相比之下，甲氧基取代的BCA反应性较低，导致材料的机械性能相对较弱。

在宏观尺度上，研究团队通过在有机溶剂中将芽孢与BCA功能化的聚合物混合，成功制备了具有不同机械性能的生物复合材料。这些材料能够在干燥状态下展现出从2 MPa到超过100 MPa的杨氏模量，表明其具备广泛的机械性能可调范围。通过熵驱动的解离机制，材料能够在温和条件下实现聚合物和芽孢的分离，从而为材料的循环利用和功能再生提供了可能。这一过程不仅能够回收聚合物，还能通过芽孢的再生实现催化功能的恢复。实验结果表明，BCA的反应性是决定材料机械增强和生物封装能力的关键因素，而聚合物的分子量分布和结构则进一步影响了材料的韧性与强度。

研究还探讨了材料在不同溶剂中的解离行为及其对芽孢再生的影响。通过在有机溶剂（如DMSO和丙酮）中进行解离实验，我们发现材料能够在一定时间内实现完整的分解，同时保持芽孢的活性。这一过程受到溶剂极性和聚合物结构的影响，例如DMSO因其较高的介电常数（ε = 47），能够更有效地稳定极性或带电的中间体和过渡态，从而加速反应的正向和逆向路径。然而，丙酮因其挥发性，也成为了实际应用中的可行替代方案。研究还表明，材料在解离后能够实现芽孢的再生，即通过培养和重新孢子化，恢复其催化功能。这种可再生特性为未来开发具有自修复和响应性功能的生物材料提供了重要启示。

此外，研究团队评估了这些生物复合材料在催化反应中的性能。通过将经过基因工程改造的芽孢（如表达APEX2酶的芽孢）与BCA功能化的聚合物结合，制备了具有催化活性的生物复合材料。实验显示，这些材料在有机溶剂中能够有效催化特定反应，如将Amplex Red转化为荧光产物Resorufin。然而，不同溶剂对催化活性的影响显著，其中DMSO导致了催化活性的大幅下降，而丙酮、乙醇和甲醇则部分保留了催化功能。这表明，在设计酶功能化的生物复合材料时，必须充分考虑溶剂环境的兼容性。通过将材料在含12.5%丙酮的缓冲液中进行催化反应，我们发现即使在有机溶剂中，催化活性仍能保持在较高水平，从而为生物催化在非水环境中的应用提供了可能。

在生物复合材料的可再生性方面，研究团队进一步探索了芽孢在材料解离后的再生能力。通过将催化材料在丙酮中解离，并回收嵌入的芽孢，再将其悬浮在LB培养基中进行培养，芽孢能够成功萌发并重新形成新的功能芽孢。这一过程不仅恢复了材料的催化活性，还为开发具有循环利用和再生能力的生物材料提供了理论依据和实验支持。芽孢的耐受性和可编程性使其成为构建可持续生物复合材料的理想选择，尤其是在需要高强度和耐久性的应用场景中。

研究还揭示了聚合物-芽孢界面的化学和物理特性对材料性能的影响。通过调节BCA的电子亲和力和共聚单体的结构，我们能够实现对材料刚度、应力松弛行为和微结构的精确控制。例如，三氟甲基取代的BCA能够促进更紧密的聚合物-芽孢连接，从而提高材料的机械性能。同时，聚合物的分子量分布和结构也对材料的韧性产生重要影响，较宽的分子量分布通常与更高的材料韧性相关，而较窄的分布则可能导致材料脆性增加。这一发现为优化生物复合材料的机械性能提供了新的思路，即通过调整BCA的电子性质和聚合物的结构，实现材料性能的多层次调控。

本研究的成果为生物复合材料的开发提供了新的方法论和理论框架。通过在分子层面实现生物与合成材料的精准连接，我们不仅拓展了生物材料的应用范围，还为未来在环境传感、生物催化和可再生材料等领域的发展奠定了基础。研究团队强调，这种基于动态共价化学的自组装方法具有广泛的应用前景，可以用于构建具有不同功能的生物复合材料。此外，材料的可回收性和可再生性使其在可持续制造和循环利用方面展现出巨大潜力。未来，随着对生物材料与合成材料之间界面调控机制的深入研究，有望开发出更多具有独特性能的生物复合材料，从而推动生物工程与材料科学的交叉发展。