石墨烯和我们的距离，真的越来越近了。且不说学术界每年数以万计的论文、动辄上千万上亿的研究经费，就连我们的衣食住行中，已经能看到石墨烯的影子。打开万能的某宝，输入“石墨烯”就可以搜到千奇百怪的商品，绝对可以满足你的想象力。
石墨烯内衣。图片来源：某宝
先不说这些商品里含有的到底是不是真正的石墨烯，也不说商家宣传的各种神奇功效到底有没有数据支持，这些至少能或多或少地反映大众对石墨烯这种神奇材料的期待。
实际上，在严谨的科研领域，学者们也一直在探索石墨烯的更多可能应用。比如，你能想象石墨烯用于人造血管的3D打印么？近日，英国伦敦玛丽女王大学Alvaro Mata等研究者在Nature Communications 杂志上发表论文，报道了一种无序蛋白质和氧化石墨烯（GO）的共组装体系，该体系可以通过类似3D生物打印的方式，组成毛细血管状结构，具有血管组织的某些生理特性，并有望应用于在实验室中仿制人体组织和器官的关键部位。
自组装血管状结构。图片来源：Nat. Commun.
GO具有丰富的含氧官能团（羟基、烷氧基、羰基和羧基），自身经常呈负电性，因此可以促进与不同分子之间——尤其是带正电性的分子之间——相互作用。研究者选择与氧化石墨烯相互作者的是一种无序蛋白质——弹性蛋白样重组体（elastin-like recombinamers, ELRs），这是一类基于天然弹性蛋白基序Val-Pro-Gly-X-Gly（VPGXG，其中X可以是脯氨酸以外的任何氨基酸）重组产生的弹性蛋白样多肽。以往研究表明，这些多肽分子随着温度的变化呈现不同的分子构象，能够表现出可逆的相变，并已经被用于制造生物相容性材料。本文涉及的三种ELRs如下图a所示。
分子构建和共组装原理。图片来源：Nat. Commun.
有趣的是，当ELK1溶液滴入GO溶液时，在液滴周围界面处，可以形成厚度为~50 μm的多层膜，该膜便是由ELK1和GO通过电荷相互作用自组装而成。那么，随着注射器一边注入ELK1溶液，一边移动，就可以形成一条管状的结构，其内径大小由注射针头的尺寸决定。该体系可以在存在细胞的培养基中，通过协同自组装形成毛细血管状结构，细胞可以嵌入管壁内和管壁上。
ELK1-GO的自组装、结构和性能。图片来源：Nat. Commun.
如果将ELK1溶液当做“墨水”放入挤压式3D打印机中，就可以在GO溶液里自由的“打印”不同形状的管状结构了。于是，研究者打印出不同内径、不同尺寸、不同扭转角度和不同分叉的管状结构，可以承受高达12.5 mL/min的水流至少24 h，最高流量将产生0.26 N/m2的剪应力，这与颈总动脉产生的平均剪应力（0.7 N/m2）相差不大。
图片来源：Nat. Commun.
既然自组装的原因来自分子尺度上ELK1和GO强烈的相互作用，因此，二者的溶液浓度肯定会影响所形成管状结构的性能。研究发现，当二者浓度比在15~40时，相互作用表现的最强烈，于是在“打印”过程中，ELK1浓度保持在2%，而GO浓度选择为0.05%、0.10%和0.15%。正如预期的那样，随着GO浓度的增加，管状结构的强度、断裂应变和韧性都有所增加。而利用0.10%的GO溶液制备的管状结构的弹性模量最高。
ELK1和GO的分子间相互作用和力学性能测试。图片来源：Nat. Commun.
不同温度下，ELK1与GO共组装形成的结构性质也不同。研究发现，在ELK1的转变温度（Tt）30 °C下得到的管状结构，比4 °C和45 °C下得到的管状结构更稳定、更清晰，表明在30 °C下ELK1与GO具有更强的相互作用。ELK1在不同温度下的3D构象在其与GO薄片的相互作用中起着关键作用，这反过来又会影响扩散-反应机制，从而决定所得ELK1-GO管状结构的性能。
既然希望将该体系应用于人造血管，生物验证必不可少。细胞培养基内自组装的管状结构，细胞可以在管壁和管腔内扩散和生长7天以上。尽管已知当浓度高于100 ng/mL 时，GO在体外对内皮细胞具有细胞毒性。然而，研究者发现，ELK1-GO复合材料可以降低GO的细胞毒性水平，大大提高细胞存活率。此外，复合材料还具有良好的生物相容性，这些结果为ELK1-GO共组装体系在人造血管中的应用提供了可能。
ELK1-GO的细胞毒性和体外生物相容性验证。图片来源：Nat. Commun.
“人们对开发模仿自然的材料和制造工艺非常感兴趣。然而，通过分子的自组装来构建功能材料和器件的能力一直受到限制”，本文一作Yuanhao Wu说 [1]，“这项研究介绍了一种新的方法，通过自组装将蛋白质与氧化石墨烯结合起来，可以容易地与制造技术相结合，构建生物流体装置，使研究者能够在实验室复制人体组织和器官的关键部分。”
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Disordered protein-graphene oxide co-assembly and supramolecular biofabrication of functional fluidic devices
Yuanhao Wu, Babatunde O. Okesola, Jing Xu, Ivan Korotkin, Alice Berardo, Ilaria Corridori, Francesco Luigi Pellerej di Brocchetti, Janos Kanczler, Jingyu Feng, Weiqi Li, Yejiao Shi, Vladimir Farafonov, Yiqiang Wang, Rebecca F. Thompson, Maria-Magdalena Titirici, Dmitry Nerukh, Sergey Karabasov, Richard O. C. Oreffo, Jose Carlos Rodriguez-Cabello, Giovanni Vozzi, Helena S. Azevedo, Nicola M. Pugno, Wen Wang, Alvaro Mata
Nat. Commun., 2020, 11, 1182, DOI: 10.1038/s41467-020-14716-z
参考文献：
1. Biomaterial discovery enables 3D printing of tissue-like vascular structures
https://www.nottingham.ac.uk/news/biomaterial-discovery-enables-3d-printing
（本文由小希供稿）
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