唐本忠院士团队：可用于生物医学领域的荧光蚕丝！

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID：Polymer-science)

蚕丝是中国古代文明产物之一，在我国具有悠久的生产加工历史。因其具有显著的柔韧性、良好的生物相容性和可控的生物降解性，在生物医学领域和高强度材料领域受到广泛关注，是一种在纺织和生物医学应用的很有前途的天然生物高分子材料。蚕丝的功能化使它们在柔性显示器和可视生物支架上的应用更加受到关注。尽管荧光蚕丝在生物医学等领域的应用日益凸显，但近几年国内外科学家付出了很多努力仍进展不大，荧光蚕丝仍然是通过不稳定的物理吸收或复杂的化学反应来制备。

唐本忠院士带领团队成员勇于创新，独辟蹊径，通过生物偶联法得到共轭产物将蚕丝功能化，从而实现全彩色荧光和长期生物成像，这一成果对于生物医学领域的贡献将是无可比拟的。研究内容以“Functionalization of Silk by AIEgens through Facile Bioconjugation: Full-Color Fluorescence and Long-Term Bioimaging”为题发表在最新的《Angew》上。

【设计并合成AIEgens】

天然生物材料具有良好的生物相容性和可降解性，在生物医学领域有着广泛的应用。蚕丝是一种独特的天然纤维蛋白，蚕丝可以很容易地从蚕茧中剥离出来，并具有优良的物理性能，如柔韧性、光泽和光滑性、重量轻、机械强度高等，一直被用于纺织领域。近年来，蚕丝优异的生物相容性和可控性使其成为结构材料。此外，蚕丝可被功能化，显示出诸如荧光、刺激和导电等高级性能，使其在柔性显示、电子皮肤和生物成像应用方面更具吸引力。然而，传统的染色工艺需要高温、低pH值等恶劣条件，消耗大量能量，并可能破坏蚕丝的蛋白质结构。传统的荧光丝蛋白可以通过氢键与无机量子点(QDs)结合修饰，然而，这种非共价相互作用在生理环境中是不稳定的，容易导致无机量子点泄漏，对健康造成危害。因此，蚕丝功能化的发展还面临着许多挑战和困难。聚集诱导发光原(AIEgens) 由于在固态时分子运动的限制发射强烈的光，适合于制造固态发光器件，如有机发光二极管。唐本忠院士团队开发了一种简单的基于活化炔烃的无金属点击生物偶联策略，用于蚕丝蛋白质修饰。作者合成了5个带有丙基的AIE分子(AIE-pyo)，发射色覆盖整个可见区域(蓝色、绿色、黄色、橙色和红色)(图1a)。作者首先测量了AIE-pyo发光素的吸收光谱，然后评估了TPE-pyo的AIE特性。

图1 (a) AIE-pyo发光素的分子结构。(b) AIE-pyo发光原在DMSO溶液中的归一化吸收光谱。(c) TPE-pyo (10-5 M)在DMSO/H2O混合溶液中荧光光谱 (fw表示水含量)。(d) AIE-pyo在DMSO/H2O混合溶液的相对荧光强度(I/I0)。(e)固态AIE-pyo发光素的归一化荧光光谱。

【生物偶联实验】

作者以牛血清白蛋白(BSA)和MTPABP-pyo为例，评价了氨基-yne click生物偶联的可行性(图2)。如图2a所示，取牛血清白蛋白的一个伯胺基团来演示无金属click生物偶联过程，室温下，将牛血清白蛋白与MTPABP-pyo混合搅拌在水溶液中，很容易发生click生物偶联。荧光MTPABP-BSA生物偶联物的形成经十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳证实 (图2b)。

图2 (a)室温下MTPABP-pyo与天然BSA的无金属点击反应，未进行预功能化。(b) SDS-PAGE分离验证MTPABP-pyo与牛血清白蛋白的生物偶联性:(左)亮场图像，(右)荧光图像。

将蚕丝纤维浸入AIE-pyo溶液中，在室温下过夜，可以方便地制备AIEgen-silk，得到荧光均匀覆盖整个可见光区域的AIEgen-silk丝线和织物(图3)。通过氢键相互作用制备荧光白丝，并对其稳定性进行了评价，并与化学结合的AIEgen-silk进行了比较。蓝色AIEgen-silk (AIE-silk-b)和红色AIEgen-silk (AIE-silk-r)织物在肥皂水超声波清洗十次后仍表现出强烈的辐射(图4a,b)。相反，荧光素修饰的蚕丝由于部分分离而呈现黄色荧光。显然，AIEgens在丝织物上的保留率远高于荧光素，对应于化学键合的稳定性高于物理吸附。AIE-pyo发光素由于其固有的固态发射和稳定的共价键，在制备高亮度、高稳定性的荧光丝方面具有很大的优势，展示了在柔性显示器和可穿戴电子设备上的潜在应用。

图3 (a) AIEgen-silk在可见光谱区域都发光。(b)在365 nm紫外光照射下拍摄的AIEgen-silk线(上)和织物(下)的荧光照片。(c) AIEgen-silk织物归一化荧光光谱。

图4 (a) TPE-pyo， (b) MTPABP-pyo和(c)荧光素溶液和粉末状态的照片，以及用肥皂水清洗(10次)前后的对比，分别用日用灯照和紫外光照。(d)反复洗涤后真丝织物上染料残留的变化。

作者还通过水解蚕丝蛋白与MTPABP-pyo的生物偶联来制备红色发射丝材料并表征其性能。实验表明，水解蚕丝和MTPABP功能化的水解蚕丝在细胞中表现出良好的生物亲和性，并通过共聚焦成像监测不同传代细胞的生长情况，发现红色发射可以清晰地观察到长达11天，这证明了AIE-silk生物偶联物在长期细胞跟踪方面的巨大潜力。作者进一步评估了MTPABP功能化蚕丝织物用于深部组织成像和生物支架监测，选取鸡胸组织来模拟生物系统中的光学扩散，发现丝织物的结构也清晰可见。这一结果证明了目前的生物偶联物应用在丝质生物支架的巨大可能性。

综上所述，作者通过无金属点击生物偶联实现AIEgens对蚕丝的功能化。通过合理的分子设计，化学偶联荧光丝具有良好的稳定性，并实现了全彩发射。通过与红、绿、蓝三种发光生物结合，获得了一种白色发光丝。此外，功能化的水解蚕丝被成功地应用于实时和长期的细胞跟踪，在深层组织成像和生物支架监测方面表现出巨大的潜力，在组织工程和治疗方面有广阔的应用前景。

编者按：本文转载自微信公众号：高分子科学前沿(ID：Polymer-science)