巧妙的设计！南大曹毅/王炜团队，最新Nature子刊！

许多天然承重组织可以迅速恢复其基本机械性能，并承受多次机械循环，表明了卓越的机械稳定性和可靠性。例如，我们的关节软骨可以在0.5赫兹的频率下承受超过40%的应变和6倍于人体重量的压力，而不会出现明显的机械疲劳。

受承载组织令人惊叹的机械性能的启发，许多人致力于研究结构化水凝胶，使其能够在高强度的机械负荷下发挥作用，如肌肉骨骼修复、软骨再生和软机器人构造。用于增韧水凝胶的一个关键设计原则是使用牺牲键/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体。

尽管这些分子工程方法能显著增强水凝胶的韧性，但往往不能在水凝胶的表面和表面上增强水凝胶，因为表面和韧性是相互排斥的。此外，尽管这些弱相互作用在分子水平上是动态和可逆的，但由于在水凝胶网络中重组这些动态键的熵成本巨大，水凝胶在变形后表现出缓慢和有限的恢复。由于这些牺牲键不能有效地重组，水凝胶缺乏防止裂纹扩展的机制，并且在循环载荷下容易产生疲劳。

水凝胶是一种很有前途的软材料，可以用作组织工程支架、可拉伸传感器和软机器人。然而，开发具有与结缔组织相似的机械稳定性和耐久性的合成水凝胶仍然具有挑战性。使用传统的聚合物网络通常无法同时建立高强度、高韧性、快速恢复和强抗疲劳性等必要的机械性能。

近日，南京大学物理学院曹毅教授、王炜教授等人报道了一种水凝胶，由铜结合自组装肽链制成的Picot纤维的分层结构组成，具有灵活的隐藏长度。多余的隐藏长度允许纤维延伸，在不减少网络连接的情况下分散机械负荷，使水凝胶坚固耐用。水凝胶具有强度高、韧性好、疲劳阈值高、恢复快等特点，可与关节软骨相媲美，甚至优于关节软骨，具有极大的应用潜力。

这项研究强调了在分子水平上定制水凝胶网络结构以提高其机械性能的独特可能性。这项工作以“Strong, tough, rapid-recovery, and fatigue-resistant hydrogels made of picot peptide fibres”为题发表在国际顶级期刊Nature Communications上。

图1 基于金属离子包覆Picot纤维的水凝胶设计

图2 无金属Cu²⁺配位和有金属Cu²⁺配位的超分子和picot GK₁₁肽纤维的表征

在自然界中，肌肉、肌腱和软骨等承重组织具有跨越不同长度尺度的复杂层次结构，这可能是设计具有优异机械性能的合成水凝胶的一种方法。虽然这些方法可以增强和增韧水凝胶，但它们不可避免地使水凝胶不均匀和各向异性。在天然承重材料中，层次结构是通过复杂的自组装形成的。经过数百万年的进化，纳米级的结构和分子水平上的相互作用逐渐演变成高强度、高韧性、快速恢复和抗疲劳的特性。肌腱、肌肉和骨骼等生物组织网络的一个特点是将自组装的纤维纳米结构与丰富的非纤维性有机基质相结合，以有效地调节负载分布和能量耗散。

受生物网络结构的启发，作者提出了一种由picot纤维(p-纤维)组成的分层结构，该结构由自组装的金属离子包覆肽β-链组成，通过灵活的隐藏长度相互连接。通过交联这些纤维，得到的水凝胶具有高机械强度(断裂应力~4.1 MPa)、超高韧性(断裂能~25.3 kJ m⁻²)、优异的抗疲劳性(疲劳阈值~424 J m⁻²)和几乎100%的机械恢复。这种设计为合成水凝胶中典型不相容的机械性能的结合提供了一种通用途径。

在传统的双网状水凝胶中，初级紧密交联网络负责能量耗散，次级松散交联网络提供隐藏长度(图1a)。当紧密网络通过物理相互作用交联时，原则上，水凝胶在释放载荷后可以恢复其基线力学性能。然而，在恢复过程中，原始凝胶形状的恢复完全是由次级松散网络的反冲驱动的，而紧网络的改造在熵上是不利的。在这里，作者提出了一种由picot纤维制成的水凝胶网络，其中隐藏的长度和耗散能量的能力都集成到picot纤维中(图1b)。picot纤维由长而柔韧的聚合物制成，上面装饰着自组装肽。在多肽自组装的驱动下，多肽之间的连接被压缩成picot，从而增加了隐藏长度(图1b)。picot长度不同，多肽随机连接。破坏picot纤维中的氢键等肽间的强相互作用，可以有效地耗散能量并释放隐藏长度，而不会降低水凝胶的网络连接。因此，该设计解决了普通聚合物网络中强度和韧性的冲突。此外，单个picot纤维的改造发生在局部和独立，这确保了水凝胶结构的快速恢复。

图3 由金属离子包覆Picot纤维制成的水凝胶

图4 金属离子包覆Picot纤维水凝胶的力学性能

当水凝胶以比物理交联的自发解离/缔合动力学更快的速度进行循环加载/卸载时，应力-应变曲线由于能量耗散而表现出滞后。p-Pep水凝胶（含有聚乙二醇、丙烯酰胺和pGK₁₁纤维的水凝胶）和p-Pep/Cu²⁺水凝胶的拉伸应力-应变曲线具有明显的迟滞性，而PAM水凝胶的迟滞性较小(图4c)。

增加水凝胶中金属离子包覆picot纤维的含量导致能量耗散增加。在压缩-松弛循环中也观察到同样的趋势。此外，p-Pep/Cu²⁺水凝胶的迟滞在较大应变下增强，表明在较大应变下展开的picot纤维更多(图4d)。

总之，这些实验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。接下来，通过施加100次连续拉伸/松弛循环来研究水凝胶的恢复。p-Pep/Cu²⁺水凝胶的应力-应变曲线几乎完全重合，而p-Pep水凝胶的应力随循环次数的增加而逐渐减小(图4e)。对于p-Pep/Cu²⁺水凝胶，在12 mm mm⁻¹的应变下，即使连续拉伸100次，p-Pep/Cu²⁺水凝胶的最大应力和每循环总耗散能仍然保持95%和92%;这表明，在动态加载下，基线力学性能的快速恢复发生在几秒钟内。拉伸100次后，p-Pep的最大应力和每循环耗散能量分别下降到72%和60%。

在100个压缩/松弛循环的应力-应变曲线中也观察到类似的趋势。作者将机械性能的超快恢复归因于局部能量耗散和恢复。picot纤维的改造只涉及分子内相互作用的恢复，是一个局部的过程，独立于整个水凝胶网络的恢复。相反，在许多具有物理交联的水凝胶中，由于水凝胶网络的缓慢松弛，破裂的交联容易在错误的位置重新结合。错误的交联减慢了与水凝胶结构和机械性能完全恢复相关的动力学。此外，p-Pep/Cu²⁺水凝胶比p-Pep水凝胶恢复更快。这可能是因为Cu²⁺仍然附着在未展开的picot纤维上，从而促进了picot纤维在未加载的水凝胶中的重组，正如在Tris缓冲液中拉伸-松弛循环时，p-Pep/Cu²⁺水凝胶的机械强度几乎没有变化，Cu²⁺释放可以忽略。这些Cu²⁺离子可以作为picot纤维折叠的原子核，因为没有Cu²⁺的纤维的回收率降低。

综上所述，在这项研究中，作者介绍了使用自组装的picot肽纤维作为构建块来设计具有高强度，韧性，抗疲劳性和快速机械恢复的水凝胶。在这种设计中，隐藏长度嵌入在肽纤维中，而不是由额外的非交联网络提供，这解决了聚合物网络中常见的刚度和韧性权衡。此外，金属离子包覆的自组装肽纤维具有机械稳定性，但由于自组装结构中的协同相互作用而快速重组。因此，所制备的水凝胶具有高强度(~4.1 MPa)、高韧性(~ 25.3 kJ m⁻²)、高疲劳阈值(~424 J m⁻²)和快速恢复的特点。这项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机械性能的重要性。通过使用不同的自组装肽或合成基序可以进一步改善其机械性能。作者预计，在这项研究中展示的工程水凝胶可能会在组织工程支架、可拉伸传感器和软机器人组件中实现广泛的应用。

Strong, tough, rapid-recovery, and fatigue-resistant hydrogels made of picot peptide fibres. (Nat. Commun. 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-38280-4)