血红蛋白-聚乙二醇超分子聚合物水凝胶的粘弹性响应：pH、温度和氧分压的多重调控机制

研究人员针对传统刺激响应性水凝胶缺乏氧响应性的问题，开发了基于血红蛋白(Hb)与四臂聚乙二醇(PEG)构建的超分子聚合物水凝胶(Hb-PEG gel)。该凝胶通过Hb亚基(α2β2?2αβ)的可逆相互作用实现物理交联，在pH 5.29-10.47范围内呈现显著粘弹性变化，特征松弛时间(τ)和零剪切粘度(η0)对氧分压(pO2)变化尤为敏感，在pO2<1.0 Torr时二者可增加约100倍。这是首个通过O2可逆结合实现力学性能切换的合成水凝胶，为开发新型"可呼吸"智能材料提供了新思路。

　　

在智能材料研究领域，开发能够响应环境变化的"刺激响应性"水凝胶一直是科学家追求的目标。虽然目前已实现温度、pH、光等多种刺激响应，但氧气(O₂)——这个生命活动中最关键的气体分子——却始终未能被有效整合到材料响应体系中。更令人遗憾的是，自然界中血红蛋白(Hb)早已进化出精妙的O₂响应机制，其α₂β₂四聚体结构能通过可逆解离为αβ二聚体来响应O₂结合状态的变化。这种天然的分子机器能否为人工材料带来革命性的氧响应能力？

日本奈良医科大学(Nara Medical University)化学系的Takashi Matsuhira和Hiromi Sakai团队在这一领域取得了突破。他们创造性地将血红蛋白与合成聚合物结合，开发出世界上首个能通过O₂结合状态切换粘弹性的"可呼吸"水凝胶。这项发表在《Biologicals》的研究，不仅填补了氧响应材料的空白，更为智能材料设计提供了全新的生物启发策略。

研究人员采用40 kDa四臂马来酰亚胺-聚乙二醇(mal₄-PEG)与血红蛋白β亚基Cys-93特异性偶联，构建了三维网络结构。通过动态光散射(DLS)和扫描电镜(SEM)表征材料形貌，利用流变仪测定不同刺激条件下的粘弹性参数，并结合氧平衡曲线(OEC)分析氧亲和力。特别设计了可控氧分压(pO₂)的流变测试系统，实时监测凝胶在0.11-150 Torr氧压范围内的力学响应。

研究首先证实了材料的多重响应特性。在pH响应方面，羰基血红蛋白-聚乙二醇凝胶(carbonylHb-PEG gel)在生理pH附近(7.45)表现出峰值粘弹性，τ和η₀分别达到120 s和1.9×10⁴ Pa·s，这与Hb四聚体在生理条件下的稳定性相吻合。温度升高从5°C到45°C使τ从72 s锐减至0.62 s，符合时温等效原理，活化能计算为87.7 kJ/mol，介于金属配位键与DNA双链的解离能之间。

最引人注目的是材料对pO₂的极端敏感性。当pO₂从5.41 Torr降至0.11 Torr时，τ从7.0 s激增至610 s，η₀从294 Pa·s跃升至16,207 Pa·s。这种变化在pO₂<1.0 Torr(约0.14% O₂浓度)时尤为显著，表明材料对极低氧环境具有"超灵敏"响应。可视化实验生动展示了这种转变：在空气中，氧合凝胶(oxyHb-PEG)缓慢流动；而在低氧条件下，脱氧凝胶(deoxyHb-PEG)几乎保持静止。这种可逆的流变学变化模拟了红细胞中Hb的呼吸功能。

通过比较不同血红素状态的凝胶，研究揭示了响应机制。氧合、脱氧、高铁和羰基Hb-PEG凝胶的η₀分别为3726、58,841、789和8963 Pa·s，这与天然Hb亚基解离速率(k_d)高度相关。特别是脱氧Hb-PEG凝胶表现出的非麦克斯韦行为，源于其α₂β₂结构异常稳定(半衰期达8.4小时)，阻碍了聚合物链的穿越松弛过程。

这项研究的创新性在于首次将血红蛋白的生物学特性与合成聚合物的可设计性完美结合，创造了具有"呼吸"功能的智能材料。与镰状细胞贫血中HbS的病理聚合不同，本研究通过精确的PEG修饰实现了可控的氧响应性。虽然材料存在Hb自氧化的局限性，但可通过添加抗氧化剂等现有方法改善。这种策略的普适性意味着，通过引入Hb亚基相互作用，任何聚合物都可能获得pO₂响应能力。

该成果不仅为开发新型氧敏感生物材料开辟了道路，其设计理念更可推广至其他生物分子机器与合成材料的整合。未来或可应用于精准氧控的药物递送、人工肌肉驱动器，乃至模拟红细胞功能的血液替代品。正如研究者所言，这项工作标志着"将呼吸功能赋予合成材料"的第一步，为仿生材料设计提供了范式转变的契机。