生物體通過在不同尺度上動態(tài)重組其復雜層次結構實現(xiàn)能量耗散過程，并進化出具有非凡強度和韌性的多種承重組織和材料。機械強化的生物學原理為科學家開發(fā)具有仿生能量耗散結構和宏觀強韌機械性能的合成材料提供了靈感和指導。為了更好地模擬生物組織中觀察到的層次結構的高度有序性和動態(tài)重組，科學家們試圖將高度有序的合成層次結構引入到與天然組織具有相似結構的水凝膠材料中。目前，研究者們已經(jīng)實現(xiàn)將冷凍和鹽析等方法形成的各向異性結構、芯鞘結構以及梯度膠合板結構，通過折疊蛋白、螺旋聚多肽等生物大分子實現(xiàn)的對隱藏長度的儲存以及由短肽組裝的納米纖維交聯(lián)劑等整合到水凝膠基體中實現(xiàn)具有仿生分級結構的強韌水凝膠。然而，上述設計中仍存在對共價交聯(lián)劑維持水凝膠成形的依賴問題，這會影響水凝膠的加工和可回收性能。另外，多肽在序列特異性可編程性和結構可調性方面的固有優(yōu)勢并未得到開發(fā)和利用。

近期，中國科學技術大學李闖教授團隊提出了一種仿生分層工程策略，通過兩親性肽衍生的納米纖維結構作為動態(tài)超分子交聯(lián)劑，構建具有可編程功能的強韌可加工水凝膠。與形成均勻納米纖維結構的序列固定親水性肽或聚賴氨酸不同，模塊化設計的兩親性肽自發(fā)自組裝形成明確的1D納米纖維結構，無論組裝驅動結構域的化學結構如何，都具有可區(qū)分的疏水核心結構和親水殼層結構（圖1）。當作為超分子交聯(lián)劑集成在水凝膠網(wǎng)絡中時，這種分層結構通過涉及纖維內(nèi)部單個肽分子動態(tài)分離的能量耗散機制，顯著提高了機械強度和韌性，這與之前報道的彈簧狀能量耗散機制不同（圖2）。除了機械增強之外，肽組裝交聯(lián)劑的可編程兩親性結構還可以在不同的結構域（包括疏水核心、組裝驅動域和親水殼層）上進行正交官能化。這種空間控制促進了多功能定制，通過三個關鍵應用得到了證明：1）親脂性熒光團的激活，2）光響應圖案化，3）模擬肌肉驅動的各向異性收縮。水凝膠固有的離子導電性與其快速彈性恢復相結合，能夠開發(fā)出高性能應變傳感器，在監(jiān)測人體運動方面表現(xiàn)出卓越的靈敏度、信號保真度和操作穩(wěn)定性。至關重要的是，超分子設計允許通過交聯(lián)劑得到可以解組裝-再組裝過程進行閉環(huán)回收和再加工，同時在多個再加工循環(huán)中保持結構完整性。這種分層工程范式為先進的軟材料建立了一個多功能平臺，該平臺協(xié)同整合了傳統(tǒng)上相互沖突的屬性：強韌的機械性能、動態(tài)適應性、可定制功能和環(huán)境可持續(xù)性。所展示的材料體系在柔性生物電子學、自適應軟機器人和可持續(xù)生物醫(yī)學設備等的應用中顯示出特別的前景。

圖1. 多肽納米纖維交聯(lián)超分子水凝膠的設計原理。

圖2. 多肽納米纖維交聯(lián)超分子水凝膠的力學性能表征。

該研究成果近期以“Hierarchical Engineering of Amphiphilic Peptides Nanofibrous Crosslinkers toward Mechanically Robust, Functionally Customable, and Sustainable Supramolecular Hydrogels”為題發(fā)表在Advanced Materials上。中國科學技術大學高分子科學與工程系李闖教授為論文通訊作者。中國科學技術大學博士研究生鄭一帆為論文第一作者。該工作得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃和中國科學技術大學的支持。

https://doi.org/10.1002/adma.202503324

來源：高分子科技