許多天然承重組織可以迅速恢復其基本機械性能，并承受多次機械循環(huán)，表明了卓越的機械穩(wěn)定性和可靠性。例如，我們的關節(jié)軟骨可以在0.5赫茲的頻率下承受超過40%的應變和6倍于人體重量的壓力，而不會出現(xiàn)明顯的機械疲勞。受承載組織令人驚嘆的機械性能的啟發(fā)，許多人致力于研究結構化水凝膠，使其能夠在高強度的機械負荷下發(fā)揮作用，如肌肉骨骼修復、軟骨再生和軟機器人構造。

用于增韌水凝膠的一個關鍵設計原則是使用犧牲鍵/網絡來耗散能量，這可能依賴于疏水相互作用，離子對，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水凝膠的韌性，但往往不能在水凝膠的表面和表面上增強水凝膠，因為表面和韌性是相互排斥的。

此外，盡管這些弱相互作用在分子水平上是動態(tài)和可逆的，但由于在水凝膠網絡中重組這些動態(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。由于這些犧牲鍵不能有效地重組，水凝膠缺乏防止裂紋擴展的機制，并且在循環(huán)載荷下容易產生疲勞。

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器人。然而，開發(fā)具有與結締組織相似的機械穩(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)的聚合物網絡通常無法同時建立高強度、高韌性、快速恢復和強抗疲勞性等必要的機械性能。

近日，南京大學物理學院曹毅教授、王煒教授等人報道了一種水凝膠，由銅結合自組裝肽鏈制成的Picot纖維的分層結構組成，具有靈活的隱藏長度。多余的隱藏長度允許纖維延伸，在不減少網絡連接的情況下分散機械負荷，使水凝膠堅固耐用。水凝膠具有強度高、韌性好、疲勞閾值高、恢復快等特點，可與關節(jié)軟骨相媲美，甚至優(yōu)于關節(jié)軟骨，具有極大的應用潛力。這項研究強調了在分子水平上定制水凝膠網絡結構以提高其機械性能的獨特可能性。

這項工作以“Strong, tough, rapid-recovery, and fatigue-resistant hydrogels made of picot peptide fibres”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Nature Communications》上。

圖1. 基于金屬離子包覆Picot纖維的水凝膠設計

圖2. 無金屬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度尺度的復雜層次結構，這可能是設計具有優(yōu)異機械性能的合成水凝膠的一種方法。雖然這些方法可以增強和增韌水凝膠，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，層次結構是通過復雜的自組裝形成的。經過數(shù)百萬年的進化，納米級的結構和分子水平上的相互作用逐漸演變成高強度、高韌性、快速恢復和抗疲勞的特性。肌腱、肌肉和骨骼等生物組織網絡的一個特點是將自組裝的纖維納米結構與豐富的非纖維性有機基質相結合，以有效地調節(jié)負載分布和能量耗散。

受生物網絡結構的啟發(fā)，作者提出了一種由picot纖維(p-纖維)組成的分層結構，該結構由自組裝的金屬離子包覆肽β-鏈組成，通過靈活的隱藏長度相互連接。通過交聯(lián)這些纖維，得到的水凝膠具有高機械強度(斷裂應力~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%的機械恢復。這種設計為合成水凝膠中典型不相容的機械性能的結合提供了一種通用途徑。

在傳統(tǒng)的雙網狀水凝膠中，初級緊密交聯(lián)網絡負責能量耗散，次級松散交聯(lián)網絡提供隱藏長度(圖1a)。當緊密網絡通過物理相互作用交聯(lián)時，原則上，水凝膠在釋放載荷后可以恢復其基線力學性能。然而，在恢復過程中，原始凝膠形狀的恢復完全是由次級松散網絡的反沖驅動的，而緊網絡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絡，其中隱藏的長度和耗散能量的能力都集成到picot纖維中(圖1b)。picot纖維由長而柔韌的聚合物制成，上面裝飾著自組裝肽。在多肽自組裝的驅動下，多肽之間的連接被壓縮成picot，從而增加了隱藏長度(圖1b)。picot長度不同，多肽隨機連接。

破壞picot纖維中的氫鍵等肽間的強相互作用，可以有效地耗散能量并釋放隱藏長度，而不會降低水凝膠的網絡連接。因此，該設計解決了普通聚合物網絡中強度和韌性的沖突。此外，單個picot纖維的改造發(fā)生在局部和獨立，這確保了水凝膠結構的快速恢復。

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纖維水凝膠的力學性能

當水凝膠以比物理交聯(lián)的自發(fā)解離/締合動力學更快的速度進行循環(huán)加載/卸載時，應力-應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⁺水凝膠的拉伸應力-應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。此外，p-Pep/Cu²⁺水凝膠的遲滯在較大應變下增強，表明在較大應變下展開的picot纖維更多(圖4d)。

總之，這些實驗證實了金屬離子包覆picot纖維在水凝膠可逆能量耗散中的作用。接下來，通過施加100次連續(xù)拉伸/松弛循環(huán)來研究水凝膠的恢復。p-Pep/Cu²⁺水凝膠的應力-應變曲線幾乎完全重合，而p-Pep水凝膠的應力隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小(圖4e)。

對于p-Pep/Cu²⁺水凝膠，在12 mm mm^?1的應變下，即使連續(xù)拉伸100次，p-Pep/Cu²⁺水凝膠的最大應力和每循環(huán)總耗散能仍然保持95%和92%;這表明，在動態(tài)加載下，基線力學性能的快速恢復發(fā)生在幾秒鐘內。拉伸100次后，p-Pep的最大應力和每循環(huán)耗散能量分別下降到72%和60%。

在100個壓縮/松弛循環(huán)的應力-應變曲線中也觀察到類似的趨勢。作者將機械性能的超快恢復歸因于局部能量耗散和恢復。picot纖維的改造只涉及分子內相互作用的恢復，是一個局部的過程，獨立于整個水凝膠網絡的恢復。相反，在許多具有物理交聯(lián)的水凝膠中，由于水凝膠網絡的緩慢松弛，破裂的交聯(lián)容易在錯誤的位置重新結合。

錯誤的交聯(lián)減慢了與水凝膠結構和機械性能完全恢復相關的動力學。此外，p-Pep/Cu²⁺水凝膠比p-Pep水凝膠恢復更快。這可能是因為Cu²⁺仍然附著在未展開的picot纖維上，從而促進了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，p-Pep/Cu²⁺水凝膠的機械強度幾乎沒有變化，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，因為沒有Cu²⁺的纖維的回收率降低。

綜上所述，在這項研究中，作者介紹了使用自組裝的picot肽纖維作為構建塊來設計具有高強度，韌性，抗疲勞性和快速機械恢復的水凝膠。在這種設計中，隱藏長度嵌入在肽纖維中，而不是由額外的非交聯(lián)網絡提供，這解決了聚合物網絡中常見的剛度和韌性權衡。

此外，金屬離子包覆的自組裝肽纖維具有機械穩(wěn)定性，但由于自組裝結構中的協(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)和快速恢復的特點。這項研究強調了在分子水平上定制水凝膠網絡結構以實現(xiàn)未知機械性能的重要性。通過使用不同的自組裝肽或合成基序可以進一步改善其機械性能。作者預計，在這項研究中展示的工程水凝膠可能會在組織工程支架、可拉伸傳感器和軟機器人組件中實現(xiàn)廣泛的應用。

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

https://www.nature.com/articles/s41467-023-38280-4