什么是智能材料

过去20年里，人们花了大量精力来探索生物体外的生物作用，有的是利用生物物质与合成材料的混合物，有的是利用合成的类生物材料，多种方法都试验过了。当今，一些新研制的生物材料，例如固定化酶，在医药卫生、临床诊断、生物化学以及食品加工等方面有着广泛的运用，然而人们对这些生物材料机能的理解却十分有限。

通常，活性机体中生A分子要形成分子聚集体，才能具备一些复杂的功能，如进行信息的输入、接收、转换，并以不同的形式输出。活性机体中的这些分子集体为我们提供了设计智能材料的思想。

智能材料体现了一种新的设计思想，它强调的是“理解力”，这和通常的材料设计有着明显的区别。随着生物材料种子技术的迅速发展，认识智能材料的新战略逐步展开了。

在生物机体中，人们已经识别了多种智能材料，其中之一就是固定在细胞壁上的感受器分子聚集体。按照结构这种聚集体可分成三类：ⅰ）感受器→G蛋白→效应器（腺苷酸环化酶等）；ⅱ）感受器→离子通道；ⅲ）感受器→酪氨酸激酶。

每种类型的感受器蛋白都可识别出对应的分子（如神经传递质和激素分子），然后激发腺苷酸环化酶、离子通道和酪氨酸激酶的活性。感受器蛋白的识别作用与效应器的作用有机地联系着，并且前者完全控制了后者。

这些感受器的分子聚集体说明了生物体中智能材料的复杂性，并为智能材料的设计提供了一个好的出发点。

下面智能材料的概念性设计便是模仿感受器分子聚集体而制作的。设计出来的这种材料可以响应输入信息，引发效应器产生作用，并可对输入信息进行处理从而调节效应器的作用。

模型：导电性酶膜

为了证实这种设计思想的可行性，我们试图用转导性聚合物同酶分子组成一智能材料，前者作为感受器，后者作为效应器。我们的目标是要生成分子聚集体，由传导性聚合物传输电信号来调节酶的活性。

我们选取了葡萄糖氧化酶（GOD）作为氧化还原酶的模型，每个GOD分子包含2个黄素腺嘌呤二核苷酸（FADs）。由于这些FADs不会轻易地将电子转移到金属电极的表面，所以很久以来，科学家们对GOD中的电子介体和电子促进剂一直保持着浓厚的兴趣。

我们的办法是用传导性聚合物制作一个转导性酶膜，要求这种酶膜和单层蛋白质分子一样厚，同时又要保持酶的活性。

GOD的等电点为4.2，在pH值为5.5的柠檬酸盐的缓冲溶液中起初带负电荷，虽然像蛋白质这类聚电解质在电极表面的吸附方式可能很复杂，我们认为GOD还是吸附在带正电的电极表面。

于是，当电极电位由Ag/AgCl控制在0.5伏时，GOD吸附在铂金电极的表面。当电极表面覆盖率达60％时，吸附便停止。

然后再将电极置于含有吡咯的溶液中，于是在被吸附的GOD分子的空隙处便电化学合成了聚吡咯。我们认为聚合反应在电极表面引发，随后聚吡咯链向氧化还原中心和GOD附近延伸，当被吸附的GOD分子间的空隙被填满时，聚合反应便停止了。

图3是生成物GOD/聚吡咯膜的设想构型。这种膜能同时保持导电性和酶的活性。

差式脉冲伏安计表明，通过转导性聚合链膜固定的GOD和电极之间可进行电子通信。当电极电位低于GOD的氧化还原电位时，电极便向GOD发射电子；当GOD处于被还原的状态时，它便向电极输送电子。

酶活性的电调节

只要溶液中溶有氧气，被膜固定的GOD就可以催化葡萄糖氧化，并且当溶解氧耗完之后葡萄糖就停止氧化，除非GOD中的FAD从还原态再转化成氧化态。

当聚吡咯固定的GOD置于只有葡萄糖而没有溶解氧的溶液中时，结果发现GOD酶的活性强烈依赖于电极的电位。

当电极的电位低于GOD的氧化还原电位时，发现酶没有明显的活性。当也极的电位提高到GOD的氧化还原电位以上时，酶的活性便有显著的增加，实验表明，酶的活性随着电极电位的变化而增减，并且改变电极电位可有效地控制酶的活性。

这种聚吡咯/GOD分子聚集体可接收由聚吡咯输入的电信号，聚吡咯链将信号转到GOD的氧化还原点进而调节GOD的功能。作为输出信息，便是生成葡萄糖酸内酯，这种输出信息完全可由输入的信号加以调节。

作为智能材料的一种模式，我们合成了聚吡咯/GOD分子聚集体，并且通过改变输入电信号，我们成功地调节了这种聚集体酶的活性。

这种分子聚集体可望将我们带向一个合成“智能”材料的新天地。

[Science & Technology In Japan，1989年7月]