南京大学曹毅/王炜教授《自然·通讯》:强、韧、快速恢复、抗疲劳水凝胶！

受承重组织惊人的机械性能的启发，许多人致力于研究能够在密集的机械负荷下发挥作用的水凝胶，用于肌肉骨骼修复、软骨再生和软体机器人建造等应用。用于增韧水凝胶的一个关键设计原则是利用牺牲键/网络来耗散能量，这可能依赖于疏水相互作用、离子对、氢键、配位相互作用、客体相互作用和微晶。尽管这些分子工程方法能增强水凝胶的韧性，但往往不能加强水凝胶的强度，因为水凝胶和韧性是相互排斥的。然而，要在同一合成水凝胶中实现高强度、高韧性、强大的抗疲劳性和快速恢复，仍然具有挑战性。

在此, 南京大学曹毅教授/王炜教授等人受生物网络结构的启发，提出了一种由Picot纤维组成的分层结构，该结构由通过灵活的隐藏长度相互连接的自组装金属离子包肽 β-链组成。通过交联这些纤维，所得水凝胶表现出高机械强度(断裂应力~4.1 MPa)、超高韧性(断裂能~25.3 kJ m−2)、出色的抗疲劳性(疲劳阈值~424 J m−2)，以及一秒钟内几乎 100% 的机械恢复。这种设计提供了在合成水凝胶中结合通常不相容的机械性能的一般途径。该研究以题为“Strong, tough, rapid-recovery, and fatigue-resistant hydrogels made of Picot peptide fibres”的论文发表在《Nature Communications》上。

【基于金属离子包覆Picot纤维的水凝胶设计】

在此，提出了一种由Picot纤维构成的水凝胶网络，其中隐藏的长度和耗散能量的能力都集成在Picot纤维中。Picot纤维是由长的柔性聚合物制成的，上面装饰有自组装肽。在肽的自组装驱动下，肽之间的连接被压缩为Picot以隐藏长度。Picot长度不同，肽之间的连接是随机的。破坏强的肽间相互作用，如Picot纤维中的氢键，可以有效地耗散能量并释放出隐藏的长度，而不减少水凝胶的网络连接。因此，这种设计解决了普通聚合物网络中强度和韧性的矛盾。此外，单个Picot纤维的重组在局部独立发生，这确保了水凝胶结构的快速恢复。

从强壮而坚韧的贻贝纤维中获得灵感，使用贻贝脚蛋白Mfp-4的富含组氨酸的基序Gly-HisVal-His-Thr-His-Arg-Val-Leu-His-Lys(表示为GK11)，来构建Picot纤维。GK11纤维在与Cu2+结合后得到加强，产生金属离子包覆的Picot纤维。为了使GK11的纤维具有良好的稳定性，在GK11的N端引入了一个酰基基团(命名为ACLT-GK11)并将该肽与丙烯酰胺聚合。

图1.基于金属离子包覆Picot纤维的水凝胶设计

【超分子纤维和Picot纤维的表征】

GK11肽可以自组装成超分子纤维并与Cu2+离子结合。不含和含有离子的超分子肽纤维分别表示为GK11和GK11/Cu2+纤维。没有Cu2+，肽纤维是直的，但有Cu2+，纤维是弯曲的，容易形成束、分支和缠结。证实了GK11和Cu2+之间存在强相互作用。

不含Cu2+的Picot GK11纤维 (pGK11) 是通过丙烯酰胺和ACLT-GK11在去离子水中的共聚合制备的，并在Tris缓冲液中透析聚合物以诱导自组装。Cu2+包层Picot GK11纤维(pGK11/Cu2+)在相同条件下制备。有和没有Cu2+的Picot纤维形成比超分子纤维更厚的成束纳米纤维(pGK11为~2.0 nm，pGK11/Cu2+为~2.2 nm)。此外，Picot纤维比不含丙烯酰胺的纤维硬度更低，表明隐藏长度成功融入肽纤维。

此外，可以通过调整丙烯酰胺浓度来调整Picot纤维中的隐藏长度。金属离子包层Picot纤维在丙烯酰胺和肽的比例较高时变得更厚，表明聚丙烯酰胺比例的增加导致隐藏长度变长。当丙烯酰胺和ACLT-GK11的摩尔比从16.3增加到32.6时，隐藏长度从~5.4增加到~9.5 nm。隐藏长度的测量值接近4.9和9.8 nm的理论值，进一步表明大部分丙烯酰胺被整合到微微纤维的隐藏长度中。

图2. 超分子纤维和Picot纤维的表征

【由金属离子包覆Picot纤维制成的水凝胶】

在成功制备pGK11/Cu2+纤维后，接下来将它们用作构建水凝胶的构件。水凝胶分两步制备。首先，前体水凝胶是通过丙烯酰胺、丙烯酸酯封端的四臂聚乙二醇(四臂PEG-ACLT)和ACLT-GK11肽在去离子水中的一锅法共聚合成的。在这里，四臂PEG-ACLT被用作网络的共价交联。然后，将水凝胶在含有Cu2+离子的Tris缓冲液中透析，以去除未反应的单体并将纤维与Cu2+结合。获得的由pGK11/Cu2+纤维制成的水凝胶表示为p-Pep/Cu2+水凝胶。还制备了仅包含PEG和丙烯酰胺的水凝胶(表示为PAM水凝胶)和包含PEG、丙烯酰胺和pGK11纤维的水凝胶(表示为p-Pep水凝胶)作为对照。

由于GK11-Cu2+配位的作用，pGK11/Cu2+水凝胶的溶胀率(209.2%)甚至更小。由于金属离子包覆Picot纤维的形成，pGK11/Cu2+水凝胶比PAM和p-Pep水凝胶更具可压缩性。pGK11/Cu2+水凝胶甚至可以在用锋利的刀片压紧后无需任何人为损坏而恢复。此外，pGK11/Cu2+水凝胶载玻片还被拉伸至其初始长度的23倍以上。pGK11/Cu2+水凝胶的可变形性主要归因于肽纤维隐藏长度中的丙烯酰胺被压缩，这也导致了低溶胀率。变形过程中肽纤维释放的隐藏长度导致可变形性显着增强。此外，pGK11/Cu2+水凝胶即使在以0.5 Hz的频率进行1000次拉伸循环后也可以立即恢复，而不会出现任何明显的机械疲劳。

图3.由金属离子包覆Picot纤维制成的水凝胶

【强度、刚度和韧性】

PAM、p-Pep 和pGK11/Cu2+水凝胶的破裂功分别为~0.4、7.3和38.1 MJ m-3。杨氏模量随着 pGK11/Cu2+水凝胶中GK11浓度的增加而增加。此外，pGK11/Cu2+水凝胶的韧性(断裂能)为25.3 kJ m−2，远高于p-Pep的2.6 kJ m−2和PAM水凝胶的0.1 kJ m−2。在pGK11/Cu2+水凝胶中，物理键主要用于构建金属离子包覆Picot纤维。每根纤维都可以被认为是一种可延展的交联剂。通过提高肽或金属离子浓度来增加物理相互作用只会增加纤维中可用的总牺牲键，而不会影响水凝胶的交联密度，从而解决聚合物网络中常见的刚度和韧性权衡问题。

建立了水凝胶独特的增韧机制后，通过调整水凝胶中4臂PEG和丙烯酰胺的浓度系统地优化了机械性能。通过简单地增加丙烯酰胺的浓度，pGK11/Cu2+水凝胶的结构和破裂作用达到超过 2500%和50 MJ m-3。最大压缩应变和最大载荷均达到95%以上和1.4 MPa，显示出卓越的可压缩性。所有这些结果都证明了通过将金属离子包覆Picot纤维结合到水凝胶网络中可以实现出色的机械性能。

【滞后与恢复】

p-Pep和pGK11/Cu2+水凝胶的拉伸应力-应变曲线显示出明显的滞后现象，而 PAM 水凝胶几乎没有观察到滞后现象。增加水凝胶中金属离子包覆Picot纤维的含量会导致能量耗散增加。此外，pGK11/Cu2+水凝胶的滞后作用在更大的应变下增强，表明更多的微微纤维在更大的应变下展开。证实了金属离子包覆Picot纤维在水凝胶可逆能量耗散中的作用。pGK11/Cu2+水凝胶在动态负载下，基线机械性能会在几秒钟内快速恢复，归因于局部能量耗散和恢复。

PAM和p-Pep水凝胶的疲劳阈值分别为~40±0.1Jm−2和~111±3Jm−2。相比之下，pGK11/Cu2+水凝胶的疲劳阈值约为424 ± 22 J m−2，远高于各种坚韧水凝胶的疲劳阈值。这归因于金属离子包覆Picot纤维的高机械稳定性和快速重组。此外，根据Lake-Thomas模型，隐藏长度的释放还可以防止裂纹扩展并提高疲劳阈值。

图4. 由金属离子包覆Picot纤维制成的水凝胶的机械性能

【小结】

该研究介绍了利用自组装的Picot多肽纤维作为构建块来设计具有高强度、高韧性、抗疲劳和快速机械恢复的水凝胶。在这种设计中，隐藏的长度被嵌入到多肽纤维中，而不是由额外的未交联网络提供，这解决了聚合物网络中常见的刚性和韧性之间的权衡。此外，包覆金属离子的自组装肽纤维由于自组装结构中的协同作用，在力学上稳定，但重组迅速。因此，得到的水凝胶具有高强度(~4.1Mpa)、良好的韧性(25.3kJ m−2)、高的疲劳阈值(~424J m−2)和恢复(秒)。该研究强调了在分子水平上定制水凝胶网络结构以实现未知的机械性能的重要性。通过使用不同的自组装肽或合成基序来进一步提高力学性能是可能的。预测这项研究中展示的工程化水凝胶可能会在组织工程支架、可伸展传感器和软机器人组件中得到广泛应用。

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