类节肢弹性蛋白黏附导电水凝胶及其制备和应用方法技术

一种类节肢弹性蛋白黏附导电水凝胶及其制备和应用方法，通过构建类节肢弹性蛋白基因(R4)x的表达载体，并将其导入表达宿主细胞中，经分离纯化和光化学处理后得到水凝胶。本发明专利技术以弹性效率最高的节肢弹性蛋白的基因重组蛋白为基质，提高了水凝胶的生物相容性和可降解性，通过修饰蛋白的石墨烯片层与类节肢弹性蛋白的高回复性(>97％)的紧密交联，制备得到适用于制作应变传感器的水凝胶材料。

Arthroid elastin-like adhesive conductive hydrogel and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
类节肢弹性蛋白黏附导电水凝胶及其制备和应用方法
本专利技术涉及的是一种生物柔性电子材料领域的技术，具体是一种类节肢弹性蛋白黏附导电水凝胶及其制备和应用方法。
技术介绍
柔性电子元件与传统的刚性电子元件相比，在使用中具有极大的灵活性与延展性，是一种新兴的电子技术。一般的以有机高分子材料作为基质的柔性电子元件(例如聚酰亚胺，聚醚醚酮或透明导电聚酯)具有高韧性以及可加工性，但是生产条件严苛，生物相容性以及可降解性差，而蛋白基的柔性电子元件则不存在以上问题。基于蛋白水凝胶的柔性电子元件，以生产过程绿色环保、生物相容性好、可降解以及与生物组织相似的理化特性等受到许多研究者的青睐。其中，自粘附性的导电蛋白水凝胶在可穿戴健康检测设备中具有不可忽视的应用前景。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种类节肢弹性蛋白黏附导电水凝胶及其制备和应用方法，以弹性效率最高的节肢弹性蛋白的基因重组蛋白为基质，提高了水凝胶的生物相容性和可降解性，通过修饰蛋白的石墨烯片层与类节肢弹性蛋白的高回复性(>97％)的紧密交联，制备得到适用于制作应变传感器的水凝胶材料。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术涉及一种类节肢弹性蛋白水凝胶的制备方法，通过构建类节肢弹性蛋白的表达载体，并将其导入表达宿主细胞中，经重组蛋白表达、分离纯化、石墨烯偶联和光化学处理后得到水凝胶。所述的类节肢弹性蛋白是指：由类节肢弹性蛋白保守肽段(氨基酸序列如SeqIDNo.1所示，即GGRPSDSYGAPGGGN)串联体构成的蛋白质。上述类节肢弹性蛋白保守肽段的氨基酸序列来源于文献ArdellDH，AndersenSO.Insectbiochemistryandmolecularbiology，2001，31(10)：965-970。所述的表达载体是指：n个所述类节肢弹性蛋白保守肽段串联体的表达质粒载体，其中n为4-128中的任意整数。所述的构建是指：将类节肢弹性蛋白保守肽段四联体重组表达质粒pET19b-R4分别进行限制性内切酶PvuI-NheI和PvuI-SpeI双酶切，所得到的两个含有类丝节肢弹性蛋白基因的片段，借助连接酶进行连接，得到长度括增至两倍的类节肢弹性蛋白保守肽段八联体重组表达质粒。以得到的八联体重组表达质粒作为供体质粒，分别用PvuI-NheI和PvuI-SpeI双酶切回收含有类丝节肢弹性蛋白基因片段，再借助连接酶进行连接，即可得到长度为十六联体重组表达质粒。同理，以表达m1和m2个类节肢弹性蛋白保守肽段四联体的重组表达质粒作为供体，分别用PvuI-NheI和PvuI-SpeI双酶切回收含有类丝节肢弹性蛋白基因片段，再借助连接酶进行连接，即可得到长度为m1+m2个类节肢弹性蛋白保守肽段四联体重组表达质粒，这里的m1和m2可以是1-16之间的任意一个正整数。所述的类节肢弹性蛋白保守肽段四联体重组表达质粒pET19b-R4来自文献Huangetal.,ACSBiomaterialsScience&Engineering,2017,3,1576-1585。所述的连接酶为T4DNA连接酶。所述的重组蛋白表达是指：将编码若干个类节肢弹性蛋白保守肽段串联体的类节肢弹性蛋白表达质粒转入大肠杆菌BL21(DE3)(购自天根生化科技有限公司)，对重组菌进行培养，并用异丙基硫代半乳糖苷(IPTG)诱导类节肢弹性蛋白的表达。所述的分离纯化是指：利用镍离子金属鳌合(Ni-NTA)亲和层析分离纯化得到目标蛋白。所述的石墨烯偶联是指：通过EDC/NHS反应活化氧化石墨烯的羧基基团，与类节肢弹性蛋白N端的氨基发生缩合反应形成肽键，将蛋白质修饰至石墨烯上，得到石墨烯类节肢弹性蛋白偶联物。所述的光化学处理是指：向含有石墨烯类节肢弹性蛋白偶联物rGO-(R4)X、类节肢弹性蛋白(R4)x的混合溶液加入过硫酸铵、氯化三(2,2'(2,2'-联吡啶)钌(II)六水合物([Ru(bpy)3]2+)以及甘油、乙二醇或聚乙二醇200中的一种混合均匀后通过白光照射反应以形成水凝胶。所述的类节肢弹性蛋白(R4)x在水凝胶中的浓度为50-400mg/mL。所述的石墨烯类节肢弹性蛋白偶联物rGO-(R4)X在水凝胶中的浓度为0.1-10mg/mL。所述的甘油、乙二醇或聚乙二醇200中的一种在水凝胶中的浓度为1％-40％wt。本专利技术通过上述方法制备得到的水凝胶，其孔径均匀，拉伸杨氏模量为7.5-140kPa，粘附强度范围为5-45kPa，电导率为0.1-2Sm-1；在拉伸情况下的响应系数为1-10，压缩情况下，在小于10kPa的压强下的灵敏度达到0.05-2kPa-1，由于蛋白基质的超高的回复性，使得电学信号在施加力与撤除力后电流信号稳定。本专利技术涉及上述方法制备得到的水凝胶的应用，将其用于制备应变传感器，优选制备粘附在人体皮肤表面的生物相容性可穿戴设备的应变传感器。技术效果与现有技术相比，本专利技术以弹性效率最高的节肢弹性蛋白的基因重组蛋白为基质，提高了水凝胶的可延展性、生物相容性和可降解性。同时，目前已知的载流电子迁移率最高的石墨烯作为导电活性物质可以很大程度上提高材料的导电性，利用EDC/NHS反应活化氧化石墨烯的羧基基团与聚合物的氨基发生缩合反应，此类方法可以实现节肢弹性蛋白的导电功能化，拓展了类节肢弹性蛋白水凝胶的应用。此外，类节肢弹性蛋白的高回复性(>97％)以及与修饰蛋白的石墨烯片层交联紧密，在高应变条件下依然具有稳定的可回复的电阻变化，并且在小应变条件下具有较高的灵敏度。附图说明图1为实施例中R8、R32和R64的SDS-PAGE图及其表征，箭头所指为目标条带；图2为R64的甘油/聚乙二醇200/乙二醇水凝胶的搭接剪切实施例，表征粘附强度；图3为R64不同浓度的甘油水凝胶的搭接剪切实施例，表征粘附强度；图4为石墨烯甘油蛋白水凝胶(rGO-R64-20％Gly)的应力-应变曲线；图5为rGO-R64-20％Gly水凝胶的回复性测试示意图，如图可见在低应变条件下有很好的回复性；图6为搭接剪切实施例，测定石墨烯-蛋白甘油水凝胶的粘附强度；图7为拉伸状态下的电阻变化率-应变曲线；图中实心点为实施例测得数据，灰色直线为拟合直线，得到应变灵敏系数为3.415；图8为应变为100％时，电流信号的疲劳性测试；图中曲线的波峰为基线电流，波谷为拉伸后的电流；图9为压缩状态下的电阻变化率-压强曲线；图中实心点为实施例测得数据，灰色直线为拟合直线，得到在10kPa以下的压强作用下，水凝胶的应变灵敏度为0.114kPa-1；图10为在9.8kPa压力作用下的水凝胶电流信号的疲劳性测试；图中曲线的波谷为基线电流信号，波峰为利用50g的砝码施加压力后的电流信号；图11为粘附在手指关节的水凝胶应变传感器随手指弯曲伸展过程的电流变化信号；图中信号的波峰为手指伸展状态的电流，波谷为手指弯曲后的电流；图12为粘附在喉咙处的水凝胶随吞咽行为的电流变化；图中箭头所指的尖峰为吞咽动作的电流信号图13为粘附在喉咙处的水凝胶随发音行为的电流变化；图中的虚线框分别对应发音为“hu”和“xiao”的电流信号；图14为甘油蛋白水凝胶与石墨烯甘油蛋白水凝胶的形貌示意及其放大图。具体实施方式实施例1载体的构建：本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种类节肢弹性蛋白黏附导电水凝胶的制备用方法，其特征在于，通过构建类节肢弹性蛋白保守肽段串联体构成的蛋白编码基因的表达载体，并将其导入表达宿主细胞中，经重组蛋白表达、分离纯化、石墨烯偶联和光化学处理后得到水凝胶；所述的类节肢弹性蛋白保守肽段的氨基酸序列如SeqIDNo.1所示；所述的表达载体是指：n个所述类节肢弹性蛋白保守肽段串联体的表达质粒载体，其中n为4‑128中的任意整数。

【技术特征摘要】
1.一种类节肢弹性蛋白黏附导电水凝胶的制备用方法，其特征在于，通过构建类节肢弹性蛋白保守肽段串联体构成的蛋白编码基因的表达载体，并将其导入表达宿主细胞中，经重组蛋白表达、分离纯化、石墨烯偶联和光化学处理后得到水凝胶；所述的类节肢弹性蛋白保守肽段的氨基酸序列如SeqIDNo.1所示；所述的表达载体是指：n个所述类节肢弹性蛋白保守肽段串联体的表达质粒载体，其中n为4-128中的任意整数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的分离纯化是指：利用镍离子金属鳌合(Ni-NTA)亲和层析分离纯化得到目标蛋白。3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的石墨烯偶联是指：通过EDC/NHS反应活化氧化石墨烯的羧基基团，与类节肢弹性蛋白N端的氨基发生缩合反应形成肽键，将蛋白质修饰至石墨烯上，得到石墨烯类节肢弹性蛋白偶联物。4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的光化学处理是指：向含有石墨烯类节肢弹性蛋白偶联物rGO-(R4)X、类节肢弹性蛋白(R4)x的混合溶液加入过硫酸铵、氯化三(2,2'(2,2'-联吡啶)...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱志刚，胡潇，夏小霞，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31