這篇在《Nature》上發(fā)表的論文，其目標(biāo)設(shè)定可謂是一項前所未有的挑戰(zhàn)。在此之前，盡管科研人員為此付出了數(shù)十年的辛勤探索，但始終未能實現(xiàn)顯著的突破。軟骨，這個生物體中的神奇存在，既堅硬又富有韌性，堪稱自然界的奇跡。正是這種特殊的性質(zhì)，讓它成為我們身體中的“減震器”，在我們奔跑、跳躍時，承受并分散著巨大的能量，守護(hù)著我們的骨組織和肌肉組織不受損傷。然而，當(dāng)軟骨遭受嚴(yán)重且不可逆的損傷時，患者的生活質(zhì)量將不可避免地受到嚴(yán)重影響。

因此，材料科學(xué)家們一直在努力探索替換軟骨的可能性。他們試圖制造出一種人工支架，其性質(zhì)盡可能接近天然軟骨，以期在生物降解的過程中幫助軟骨自我再生。然而，這個過程并不簡單，因為人造材料往往難以同時兼具剛度和韌性。堅硬的材料往往容易脆裂，無法與天然軟骨相提并論。面對這樣的困境，科學(xué)家們開始轉(zhuǎn)向大自然尋求啟示。傅凌嵐在接受《中國科學(xué)報》采訪時說：“原生軟骨之所以既堅硬又韌性，很大程度上是因為其內(nèi)部的蛋白質(zhì)和其他分子形成的相互纏繞的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種分子鏈的纏結(jié)有助于耗散能量，同時增強(qiáng)材料的強(qiáng)度。因此，我們決定嘗試在蛋白質(zhì)水凝膠網(wǎng)絡(luò)中引入鏈纏結(jié)，以模仿軟骨的這種結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。” 與傳統(tǒng)的聚合物水凝膠相比，蛋白質(zhì)水凝膠具有更好的生物相容性，更容易在生物體內(nèi)降解。更重要的是，我們還可以通過基因工程技術(shù)精確控制蛋白質(zhì)序列，從而引入具有特定功能的蛋白質(zhì)基團(tuán)。這樣的嘗試不僅為軟骨再生提供了新的可能性，也為人類醫(yī)學(xué)的發(fā)展注入了新的活力。

傅凌嵐向我們揭示了一個令人振奮的科研突破。你知道嗎，過去我們所熟悉的蛋白質(zhì)水凝膠，大多都顯得柔軟無力，這極大地限制了它們在實際應(yīng)用中的潛力。但傅凌嵐和他的團(tuán)隊不甘于此，他們決心打破這個局限。想要讓水凝膠變得堅硬，他們首先需要引入鏈纏結(jié)。然而，傳統(tǒng)的串聯(lián)球狀蛋白鏈長并不足夠，使得分子間的纏結(jié)成為了一個難題。面對這樣的挑戰(zhàn)，他們不得不尋找新的方法。于是，他們巧妙地對串聯(lián)球狀蛋白進(jìn)行了化學(xué)解折疊。這個過程就像解開一團(tuán)復(fù)雜的毛線球，讓原本緊湊的肽鏈得以舒展，變得更加細(xì)長。

這些伸展開的肽鏈，仿佛無數(shù)條細(xì)細(xì)的絲線，相互交織、纏結(jié)，使得材料的物理交聯(lián)密度大大增加。但這還不是終點。他們進(jìn)一步利用光化學(xué)交聯(lián)和蛋白質(zhì)復(fù)性等先進(jìn)手段，對材料進(jìn)行了精細(xì)的調(diào)控和優(yōu)化。這樣的處理不僅使得蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)更加緊密，而且賦予了材料更強(qiáng)的韌性和抗疲勞性。想象一下，當(dāng)受到外力作用時，這些原本折疊的蛋白就像彈簧一樣，通過解折疊吸收能量，使得整個材料更加堅韌而不易破裂。這樣的設(shè)計，使得他們最終獲得了一種既堅硬又具有韌性的新型蛋白質(zhì)水凝膠。令人矚目的是，這種新材料的硬度相比天然蛋白交聯(lián)后的軟材料提高了驚人的40倍！而且，它的壓縮模量更是高達(dá)1.7 MPa，這與我們身體中的軟骨組織相媲美。

更令人興奮的是，這種水凝膠在經(jīng)過600多次的反復(fù)快速壓縮后，依然保持著出色的性能，沒有出現(xiàn)明顯的疲勞和損傷。“這個結(jié)果讓我們非常振奮！”傅凌嵐難掩激動之情。確實，這一突破不僅為我們打開了一個全新的材料應(yīng)用領(lǐng)域，更為未來生物材料的發(fā)展提供了無限可能。

傅凌嵐與導(dǎo)師李宏斌合影

在充滿希望的2020年，他們曾懷揣著對科學(xué)的熱愛，滿懷激情地將這項革命性的研究成果投向了全球頂尖的學(xué)術(shù)期刊Nature。然而，命運似乎給他們開了一個小小的玩笑，他們的稿件并未獲得預(yù)期的認(rèn)可，遭到了拒稿的待遇。不過，值得一提的是，三位審稿人都對這個新材料展現(xiàn)出了濃厚的興趣，他們期待能在生物體內(nèi)親眼見證這種材料修復(fù)軟骨的神奇效果。對于課題組而言，這無疑是一個巨大的挑戰(zhàn)。畢竟，他們過往的經(jīng)驗中鮮少涉及動物實驗這片神秘的領(lǐng)域。但正是這次挑戰(zhàn)，讓他們看到了突破自我、探索新知的機(jī)遇。于是，李宏斌教授毅然決然地接受了這個挑戰(zhàn)，他決定帶領(lǐng)團(tuán)隊迎難而上，勇攀科研高峰。為了驗證新材料在生物體內(nèi)的效果，他們與南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院的蔣青教授團(tuán)隊緊密合作，利用兔子構(gòu)建了動物實驗?zāi)Ｐ汀赡甑穆L探索與無數(shù)次的實驗嘗試，終于迎來了令人振奮的喜訊。在膝關(guān)節(jié)軟骨受損的兔子體內(nèi)植入蛋白水凝膠后，僅僅12周的時間，這些兔子的膝關(guān)節(jié)軟骨便展現(xiàn)出了明顯的再生跡象。研究人員進(jìn)一步檢測了這些新生組織，發(fā)現(xiàn)它們的理化性質(zhì)與天然軟骨極為相似。更為驚喜的是，兔子體內(nèi)既未出現(xiàn)未降解的凝膠殘留物，也未產(chǎn)生任何排異反應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)無疑為新材料在生物體內(nèi)的應(yīng)用提供了有力的支持。有趣的是，在探索過程中，他們發(fā)現(xiàn)軟骨的再生效果與蛋白質(zhì)水凝膠的硬度之間存在著一種比想象中更為復(fù)雜的關(guān)聯(lián)。偏硬的凝膠似乎比偏軟的凝膠在修復(fù)軟骨方面效果更好，這可能是因為較高的硬度使得凝膠與骨骼和軟骨組織的相容性更佳，從而為身體提供了有效的再生線索。然而，當(dāng)水凝膠的硬度過高時，修復(fù)效果卻會受到影響，可能是因為這樣的凝膠在體內(nèi)降解速度過慢。在補充了完整的動物實驗結(jié)果后，他們信心滿滿地將論文重新提交給了Nature。這一次，他們的努力終于得到了認(rèn)可，論文很快便通過了審稿。李宏斌教授笑談道：“動物實驗確實比一般的材料學(xué)研究周期要長得多。我們在第一次被拒稿后，整整補了兩年的動物實驗才得到這個結(jié)果。但這一切都是值得的，因為我們?yōu)榭茖W(xué)界帶來了一個全新的突破。”

傅凌嵐