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(fù)速度快的機(jī)械性能。然而，很難合成同時具有這些機(jī)械性能的生物材料。這主要是由于具有高強(qiáng)度和高韌性的水凝膠要求交聯(lián)劑的解離速度慢和應(yīng)力下活性勢磊高，而水凝膠的快速回復(fù)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(qiáng)度、高韌性和快速回復(fù)的水凝膠。
南京大學(xué)的曹毅和王煒，浙江大學(xué)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(qiáng)度高，韌性好和回復(fù)速率快的雜化網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(luò)（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(fù)序列組成，可與Zn2+形成兩個緊密排列的絡(luò)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(yuǎn)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(jìn)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(yīng)，從而保證PH6與Zn2+的強(qiáng)親和力。
圖1 協(xié)同工程、鍵合常數(shù)和承載負(fù)荷中金屬離子在分子水平上的配位相互作用機(jī)理。（A）不同配體數(shù)形成金屬離子配位絡(luò)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(jī)理示意圖。
圖2是HR肽-Zn2+絡(luò)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(jī)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(luò)合物的機(jī)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(luò)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(yīng)的水凝膠的回復(fù)速率快但是機(jī)械強(qiáng)度低。對于PH6，由于兩個結(jié)合位點串聯(lián)排列，且機(jī)械斷裂時兩個位點同時斷裂，所以機(jī)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(luò)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-PHn（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(jìn)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(fù)合物交聯(lián)制備的HN-PHn水凝膠的結(jié)構(gòu)和性能。（A）不同水凝膠的網(wǎng)絡(luò)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(xué)圖。（C）HN-PH6水凝膠在極端壓縮條件下的光學(xué)圖。（D）HN-PH6凝膠在極端拉伸條件下的光學(xué)圖。（E）HN-PH6凝膠扭成螺旋狀的光學(xué)圖。（F）鋒利刀片對HN-PH6凝膠進(jìn)行壓縮并放松后的光學(xué)圖。?
HN-PH6水凝膠的斷裂伸長率、楊氏模量和韌性遠(yuǎn)高于HN-PH3和HN-PH1水凝膠（圖5）。應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)曲線中，HN-PH6水凝膠的滯后效應(yīng)比HN-PH1和HN-PH3均小，表明該凝膠的回復(fù)速率快。在HN-PH6凝膠的負(fù)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(fù)速率快。多尺度本構(gòu)理論（圖6）進(jìn)一步證明協(xié)同作用使得水凝膠具有突出的機(jī)械性能。
圖5 HN-PHn凝膠的機(jī)械和快速回復(fù)性能。
圖6 水凝膠的機(jī)械響應(yīng)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(fù)合物的機(jī)械穩(wěn)定性，主要是由于串聯(lián)的結(jié)合位點在機(jī)械斷裂時同時斷裂；
c)以PH6-Zn2+復(fù)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(qiáng)度高、韌性高和回復(fù)速率快。?
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