《Science》子刊：高強度、高韌性、可快速回復的水凝膠?

肌肉、軟骨和肌腱等軟支撐組織表現(xiàn)出高彈性、高韌性和回復速度快的機械性能。然而，很難合成同時具有這些機械性能的生物材料。這主要是由于具有高強度和高韌性的水凝膠要求交聯(lián)劑的解離速度慢和應力下活性勢磊高，而水凝膠的快速回復性能則要求交聯(lián)劑是動態(tài)的，且解離和締合速率快。這種矛盾使得很難合成同時具有高強度、高韌性和快速回復的水凝膠。

南京大學的曹毅和王煒，浙江大學的陳彬（共同通訊作者）等人一方面利用金屬配合物具有快速的結(jié)合和解離速率，另一方面利用串聯(lián)結(jié)合位點，形成協(xié)同作用，提高金屬配合物的穩(wěn)定性，獲得具有強度高，韌性好和回復速率快的雜化網(wǎng)絡水凝膠。該論文以題為“Molecular engineering of metal coordination interactions for strong,tough, and fast-recovery hydrogels”發(fā)表在《Science Advances》上。

圖文解析

研究者們首先設計了三種富含組氨酸的短肽（HR-肽）作為配體分別于Zn²⁺結(jié)合，用以構(gòu)建雜化網(wǎng)絡（HN）水凝膠（圖1）。這三種肽的序列分別是Gly-Gly-His (記為 PH₁),Gly-His-His-Pro-His (記為 PH₃)和 Gly-His-His-Pro-His-Gly-His-His-Pro-His (記為PH₆)。PH₁是僅含一個金屬離子配體（組氨酸殘基）的對照組，PH₃含有可形成一個特定金屬離子結(jié)合位點的三個組氨酸殘基，PH₆由PH₃的兩個串聯(lián)重復序列組成，可與Zn²⁺形成兩個緊密排列的絡合物。通過等溫滴定量熱法測試表明由于PH₆中串聯(lián)排列的結(jié)合位點，所以PH₆對Zn²⁺的結(jié)合親和力最高，且遠高于PH₁和PH₃對Zn²⁺的結(jié)合親和力。通過改變PH₃和PH₆中的殘基結(jié)構(gòu)和圓二色性方法進一步表明PH₆獨特的序列和其第一個Zn²⁺配位點的構(gòu)象極其重要，它們可確保肽與Zn²⁺結(jié)合的協(xié)同效應，從而保證PH₆與Zn²⁺的強親和力。

圖1 協(xié)同工程、鍵合常數(shù)和承載負荷中金屬離子在分子水平上的配位相互作用機理。（A）不同配體數(shù)形成金屬離子配位絡合物的模型圖。（B-D）等溫滴定量熱測試數(shù)據(jù)。（E、F）肽與Zn²⁺的結(jié)合常數(shù)。（G-J）圓二色性光譜。（K）PH₆與Zn²⁺的協(xié)同結(jié)合機理示意圖。

圖2是HR肽-Zn²⁺絡合物的AFM單分子力譜。圖2表明形成串聯(lián)結(jié)合位點使得PH₆-Zn²⁺機械性能穩(wěn)定。分別通過等溫滴定量熱法和單分子AFM獲得肽-金屬離子絡合物的機械解離和再締合數(shù)據(jù)（圖3），表明PH₁的金屬離子結(jié)合配體處于隔離狀態(tài)，肽金屬離子絡合物同時顯示出低締合自由能磊和低解離自由能磊，所以相應的水凝膠的回復速率快但是機械強度低。對于PH₆，由于兩個結(jié)合位點串聯(lián)排列，且機械斷裂時兩個位點同時斷裂，所以機械性能穩(wěn)定，總自由能磊高。由于兩個結(jié)合位點中的Zn²⁺的協(xié)同作用，所以第二個結(jié)合位點的締合速率更快。

圖2 金屬離子配位化合物的單分子力譜。（A）基于AFM的單分子力光譜實驗示意圖。（B-D）在1000 nm S^-1的拉伸速率下，肽-Zn²⁺斷裂時的典型力-拉伸曲線。（E-G）肽-Zn²⁺斷裂力直方圖。

圖3 肽-Zn²⁺相互作用的狀態(tài)模型和自由能態(tài)。（A）不同狀態(tài)下肽-Zn²⁺的名稱。（B）肽-Zn²⁺相互作用的自由能態(tài)。

研究者們以HR-肽-Zn²⁺絡合物作為犧牲交聯(lián)劑，丙烯酸酯封端的四臂聚乙二醇為形成共價鍵的永久交聯(lián)劑制得水凝膠HN-PH_n（n=1,3和6；圖4），其中HN-PH₆的吸水率最低，壓縮性最好。在~1.6 Hz的頻率下對HN-PH₆水凝膠進行壓縮或拉伸循環(huán)100次，水凝膠未被破壞。

圖4 由肽-Zn²⁺配位復合物交聯(lián)制備的HN-PH_n水凝膠的結(jié)構(gòu)和性能。（A）不同水凝膠的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意圖。（B）水凝膠在一個壓縮-松弛循環(huán)下的光學圖。（C）HN-PH6水凝膠在極端壓縮條件下的光學圖。（D）HN-PH₆凝膠在極端拉伸條件下的光學圖。（E）HN-PH₆凝膠扭成螺旋狀的光學圖。（F）鋒利刀片對HN-PH₆凝膠進行壓縮并放松后的光學圖。?

HN-PH₆水凝膠的斷裂伸長率、楊氏模量和韌性遠高于HN-PH₃和HN-PH₁水凝膠（圖5）。應力-應變循環(huán)曲線中，HN-PH₆水凝膠的滯后效應比HN-PH₁和HN-PH₃均小，表明該凝膠的回復速率快。在HN-PH₆凝膠的負載-卸載循環(huán)圖中，不同循環(huán)幾乎重合，表明該凝膠的回復速率快。多尺度本構(gòu)理論（圖6）進一步證明協(xié)同作用使得水凝膠具有突出的機械性能。

圖5 HN-PH_n凝膠的機械和快速回復性能。

圖6 水凝膠的機械響應的理論計算

亮點總結(jié)

a)與單金屬離子配體的肽相比，具有串聯(lián)排列的結(jié)合位點的PH₆，可顯著增加與Zn²⁺的親和力；

b)串聯(lián)金屬離子結(jié)合位點可顯著提高金屬-配體復合物的機械穩(wěn)定性，主要是由于串聯(lián)的結(jié)合位點在機械斷裂時同時斷裂；

c)以PH6-Zn²⁺復合物為犧牲交聯(lián)劑，共價鍵為永久交聯(lián)劑，制得HN-PH₆的強度高、韌性高和回復速率快。?

原文鏈接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/16/eaaz9531