許多天然承重組織可以迅速恢復(fù)其基本機(jī)械性能，并承受多次機(jī)械循環(huán)，表明了卓越的機(jī)械穩(wěn)定性和可靠性。例如，我們的關(guān)節(jié)軟骨可以在0.5赫茲的頻率下承受超過(guò)40%的應(yīng)變和6倍于人體重量的壓力，而不會(huì)出現(xiàn)明顯的機(jī)械疲勞。

受承載組織令人驚嘆的機(jī)械性能的啟發(fā)，許多人致力于研究結(jié)構(gòu)化水凝膠，使其能夠在高強(qiáng)度的機(jī)械負(fù)荷下發(fā)揮作用，如肌肉骨骼修復(fù)、軟骨再生和軟機(jī)器人構(gòu)造。用于增韌水凝膠的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)原則是使用犧牲鍵/網(wǎng)絡(luò)來(lái)耗散能量，這可能依賴(lài)于疏水相互作用，離子對(duì)，氫鍵，配位相互作用，客體相互作用和微晶體。

盡管這些分子工程方法能顯著增強(qiáng)水凝膠的韌性，但往往不能在水凝膠的表面和表面上增強(qiáng)水凝膠，因?yàn)楸砻婧晚g性是相互排斥的。此外，盡管這些弱相互作用在分子水平上是動(dòng)態(tài)和可逆的，但由于在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中重組這些動(dòng)態(tài)鍵的熵成本巨大，水凝膠在變形后表現(xiàn)出緩慢和有限的恢復(fù)。由于這些犧牲鍵不能有效地重組，水凝膠缺乏防止裂紋擴(kuò)展的機(jī)制，并且在循環(huán)載荷下容易產(chǎn)生疲勞。

水凝膠是一種很有前途的軟材料，可以用作組織工程支架、可拉伸傳感器和軟機(jī)器人。然而，開(kāi)發(fā)具有與結(jié)締組織相似的機(jī)械穩(wěn)定性和耐久性的合成水凝膠仍然具有挑戰(zhàn)性。使用傳統(tǒng)的聚合物網(wǎng)絡(luò)通常無(wú)法同時(shí)建立高強(qiáng)度、高韌性、快速恢復(fù)和強(qiáng)抗疲勞性等必要的機(jī)械性能。

近日，南京大學(xué)物理學(xué)院曹毅教授、王煒教授等人報(bào)道了一種水凝膠，由銅結(jié)合自組裝肽鏈制成的Picot纖維的分層結(jié)構(gòu)組成，具有靈活的隱藏長(zhǎng)度。多余的隱藏長(zhǎng)度允許纖維延伸，在不減少網(wǎng)絡(luò)連接的情況下分散機(jī)械負(fù)荷，使水凝膠堅(jiān)固耐用。水凝膠具有強(qiáng)度高、韌性好、疲勞閾值高、恢復(fù)快等特點(diǎn)，可與關(guān)節(jié)軟骨相媲美，甚至優(yōu)于關(guān)節(jié)軟骨，具有極大的應(yīng)用潛力。

這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了在分子水平上定制水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以提高其機(jī)械性能的獨(dú)特可能性。這項(xiàng)工作以“Strong, tough, rapid-recovery, and fatigue-resistant hydrogels made of picot peptide fibres”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Nature Communications上。

圖1 基于金屬離子包覆Picot纖維的水凝膠設(shè)計(jì)

圖2 無(wú)金屬Cu²⁺配位和有金屬Cu²⁺配位的超分子和picot GK₁₁肽纖維的表征

在自然界中，肌肉、肌腱和軟骨等承重組織具有跨越不同長(zhǎng)度尺度的復(fù)雜層次結(jié)構(gòu)，這可能是設(shè)計(jì)具有優(yōu)異機(jī)械性能的合成水凝膠的一種方法。雖然這些方法可以增強(qiáng)和增韌水凝膠，但它們不可避免地使水凝膠不均勻和各向異性。在天然承重材料中，層次結(jié)構(gòu)是通過(guò)復(fù)雜的自組裝形成的。經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年的進(jìn)化，納米級(jí)的結(jié)構(gòu)和分子水平上的相互作用逐漸演變成高強(qiáng)度、高韌性、快速恢復(fù)和抗疲勞的特性。肌腱、肌肉和骨骼等生物組織網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)特點(diǎn)是將自組裝的纖維納米結(jié)構(gòu)與豐富的非纖維性有機(jī)基質(zhì)相結(jié)合，以有效地調(diào)節(jié)負(fù)載分布和能量耗散。

受生物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，作者提出了一種由picot纖維(p-纖維)組成的分層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由自組裝的金屬離子包覆肽β-鏈組成，通過(guò)靈活的隱藏長(zhǎng)度相互連接。通過(guò)交聯(lián)這些纖維，得到的水凝膠具有高機(jī)械強(qiáng)度(斷裂應(yīng)力~4.1 MPa)、超高韌性(斷裂能~25.3 kJ m^?2)、優(yōu)異的抗疲勞性(疲勞閾值~424 J m^?2)和幾乎100%的機(jī)械恢復(fù)。這種設(shè)計(jì)為合成水凝膠中典型不相容的機(jī)械性能的結(jié)合提供了一種通用途徑。

在傳統(tǒng)的雙網(wǎng)狀水凝膠中，初級(jí)緊密交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)能量耗散，次級(jí)松散交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)提供隱藏長(zhǎng)度(圖1a)。當(dāng)緊密網(wǎng)絡(luò)通過(guò)物理相互作用交聯(lián)時(shí)，原則上，水凝膠在釋放載荷后可以恢復(fù)其基線力學(xué)性能。然而，在恢復(fù)過(guò)程中，原始凝膠形狀的恢復(fù)完全是由次級(jí)松散網(wǎng)絡(luò)的反沖驅(qū)動(dòng)的，而緊網(wǎng)絡(luò)的改造在熵上是不利的。在這里，作者提出了一種由picot纖維制成的水凝膠網(wǎng)絡(luò)，其中隱藏的長(zhǎng)度和耗散能量的能力都集成到picot纖維中(圖1b)。picot纖維由長(zhǎng)而柔韌的聚合物制成，上面裝飾著自組裝肽。在多肽自組裝的驅(qū)動(dòng)下，多肽之間的連接被壓縮成picot，從而增加了隱藏長(zhǎng)度(圖1b)。picot長(zhǎng)度不同，多肽隨機(jī)連接。破壞picot纖維中的氫鍵等肽間的強(qiáng)相互作用，可以有效地耗散能量并釋放隱藏長(zhǎng)度，而不會(huì)降低水凝膠的網(wǎng)絡(luò)連接。因此，該設(shè)計(jì)解決了普通聚合物網(wǎng)絡(luò)中強(qiáng)度和韌性的沖突。此外，單個(gè)picot纖維的改造發(fā)生在局部和獨(dú)立，這確保了水凝膠結(jié)構(gòu)的快速恢復(fù)。

圖3 由金屬離子包覆Picot纖維制成的水凝膠

圖4 金屬離子包覆Picot纖維水凝膠的力學(xué)性能

當(dāng)水凝膠以比物理交聯(lián)的自發(fā)解離/締合動(dòng)力學(xué)更快的速度進(jìn)行循環(huán)加載/卸載時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線由于能量耗散而表現(xiàn)出滯后。p-Pep水凝膠（含有聚乙二醇、丙烯酰胺和pGK₁₁纖維的水凝膠）和p-Pep/Cu²⁺水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯的遲滯性，而PAM水凝膠的遲滯性較小(圖4c)。

增加水凝膠中金屬離子包覆picot纖維的含量導(dǎo)致能量耗散增加。在壓縮-松弛循環(huán)中也觀察到同樣的趨勢(shì)。此外，p-Pep/Cu²⁺水凝膠的遲滯在較大應(yīng)變下增強(qiáng)，表明在較大應(yīng)變下展開(kāi)的picot纖維更多(圖4d)。

總之，這些實(shí)驗(yàn)證實(shí)了金屬離子包覆picot纖維在水凝膠可逆能量耗散中的作用。接下來(lái)，通過(guò)施加100次連續(xù)拉伸/松弛循環(huán)來(lái)研究水凝膠的恢復(fù)。p-Pep/Cu²⁺水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎完全重合，而p-Pep水凝膠的應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小(圖4e)。對(duì)于p-Pep/Cu²⁺水凝膠，在12 mm mm^?1的應(yīng)變下，即使連續(xù)拉伸100次，p-Pep/Cu²⁺水凝膠的最大應(yīng)力和每循環(huán)總耗散能仍然保持95%和92%;這表明，在動(dòng)態(tài)加載下，基線力學(xué)性能的快速恢復(fù)發(fā)生在幾秒鐘內(nèi)。拉伸100次后，p-Pep的最大應(yīng)力和每循環(huán)耗散能量分別下降到72%和60%。

在100個(gè)壓縮/松弛循環(huán)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中也觀察到類(lèi)似的趨勢(shì)。作者將機(jī)械性能的超快恢復(fù)歸因于局部能量耗散和恢復(fù)。picot纖維的改造只涉及分子內(nèi)相互作用的恢復(fù)，是一個(gè)局部的過(guò)程，獨(dú)立于整個(gè)水凝膠網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)。相反，在許多具有物理交聯(lián)的水凝膠中，由于水凝膠網(wǎng)絡(luò)的緩慢松弛，破裂的交聯(lián)容易在錯(cuò)誤的位置重新結(jié)合。錯(cuò)誤的交聯(lián)減慢了與水凝膠結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能完全恢復(fù)相關(guān)的動(dòng)力學(xué)。此外，p-Pep/Cu²⁺水凝膠比p-Pep水凝膠恢復(fù)更快。這可能是因?yàn)镃u²⁺仍然附著在未展開(kāi)的picot纖維上，從而促進(jìn)了picot纖維在未加載的水凝膠中的重組，正如在Tris緩沖液中拉伸-松弛循環(huán)時(shí)，p-Pep/Cu²⁺水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度幾乎沒(méi)有變化，Cu²⁺釋放可以忽略。這些Cu²⁺離子可以作為picot纖維折疊的原子核，因?yàn)闆](méi)有Cu²⁺的纖維的回收率降低。

綜上所述，在這項(xiàng)研究中，作者介紹了使用自組裝的picot肽纖維作為構(gòu)建塊來(lái)設(shè)計(jì)具有高強(qiáng)度，韌性，抗疲勞性和快速機(jī)械恢復(fù)的水凝膠。在這種設(shè)計(jì)中，隱藏長(zhǎng)度嵌入在肽纖維中，而不是由額外的非交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)提供，這解決了聚合物網(wǎng)絡(luò)中常見(jiàn)的剛度和韌性權(quán)衡。此外，金屬離子包覆的自組裝肽纖維具有機(jī)械穩(wěn)定性，但由于自組裝結(jié)構(gòu)中的協(xié)同相互作用而快速重組。因此，所制備的水凝膠具有高強(qiáng)度(~4.1 MPa)、高韌性(~ 25.3 kJ m^?2)、高疲勞閾值(~424 J m^?2)和快速恢復(fù)的特點(diǎn)。這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了在分子水平上定制水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)未知機(jī)械性能的重要性。通過(guò)使用不同的自組裝肽或合成基序可以進(jìn)一步改善其機(jī)械性能。作者預(yù)計(jì)，在這項(xiàng)研究中展示的工程水凝膠可能會(huì)在組織工程支架、可拉伸傳感器和軟機(jī)器人組件中實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。

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