生物體通過在不同尺度上動態(tài)重組其復(fù)雜層次結(jié)構(gòu)實現(xiàn)能量耗散過程，并進(jìn)化出具有非凡強(qiáng)度和韌性的多種承重組織和材料。機(jī)械強(qiáng)化的生物學(xué)原理為科學(xué)家開發(fā)具有仿生能量耗散結(jié)構(gòu)和宏觀強(qiáng)韌機(jī)械性能的合成材料提供了靈感和指導(dǎo)。為了更好地模擬生物組織中觀察到的層次結(jié)構(gòu)的高度有序性和動態(tài)重組，科學(xué)家們試圖將高度有序的合成層次結(jié)構(gòu)引入到與天然組織具有相似結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、芯鞘結(jié)構(gòu)以及梯度膠合板結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的強(qiáng)韌水凝膠。然而，上述設(shè)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(jié)構(gòu)可調(diào)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(xué)技術(shù)大學(xué)李闖教授團(tuán)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(jié)構(gòu)作為動態(tài)超分子交聯(lián)劑，構(gòu)建具有可編程功能的強(qiáng)韌可加工水凝膠。與形成均勻納米纖維結(jié)構(gòu)的序列固定親水性肽或聚賴氨酸不同，模塊化設(shè)計的兩親性肽自發(fā)自組裝形成明確的1D納米纖維結(jié)構(gòu)，無論組裝驅(qū)動結(jié)構(gòu)域的化學(xué)結(jié)構(gòu)如何，都具有可區(qū)分的疏水核心結(jié)構(gòu)和親水殼層結(jié)構(gòu)（圖1）。當(dāng)作為超分子交聯(lián)劑集成在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中時，這種分層結(jié)構(gòu)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(jī)制，顯著提高了機(jī)械強(qiáng)度和韌性，這與之前報道的彈簧狀能量耗散機(jī)制不同（圖2）。除了機(jī)械增強(qiáng)之外，肽組裝交聯(lián)劑的可編程兩親性結(jié)構(gòu)還可以在不同的結(jié)構(gòu)域（包括疏水核心、組裝驅(qū)動域和親水殼層）上進(jìn)行正交官能化。這種空間控制促進(jìn)了多功能定制，通過三個關(guān)鍵應(yīng)用得到了證明：1）親脂性熒光團(tuán)的激活，2）光響應(yīng)圖案化，3）模擬肌肉驅(qū)動的各向異性收縮。水凝膠固有的離子導(dǎo)電性與其快速彈性恢復(fù)相結(jié)合，能夠開發(fā)出高性能應(yīng)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(guān)重要的是，超分子設(shè)計允許通過交聯(lián)劑得到可以解組裝-再組裝過程進(jìn)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(jié)構(gòu)完整性。這種分層工程范式為先進(jìn)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(qiáng)韌的機(jī)械性能、動態(tài)適應(yīng)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(xué)、自適應(yīng)軟機(jī)器人和可持續(xù)生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等的應(yīng)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(shè)計原理。

圖2. 多肽納米纖維交聯(lián)超分子水凝膠的力學(xué)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(xué)技術(shù)大學(xué)高分子科學(xué)與工程系李闖教授為論文通訊作者。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的支持。

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

來源：高分子科技