格拉斯哥大学Dave J. Adams团队研发的自稳态水凝胶仿生系统

在本工作中，格拉斯哥大学的Dave J. Adams课题组构建了一种 “自稳态”的水凝胶仿生系统。该系统基于酸碱度响应型多肽自组装水凝胶体系，通过引入可原位改变体系酸碱度的化学反应循环，可以驱动水凝胶体系的动态变化。特别的，这类水凝胶系统展示出自我调节的功能，在化学反应循环驱动的酸碱度变化过程中，水凝胶内在的分子交联网络类型能够进行相应的变换，在维持体系“稳态”凝胶形式的同时，能够实时改变凝胶的力学性质。

生命系统是时刻处于动态变化过程中的开放系统。在与外界环境之间不断进行物质、能量与信息交换的过程中，生命系统通过一系列复杂的反馈与调控机制，来维持内部环境的稳定，如进行体温控制，维持心率与血压等。相较而言，人工合成的材料体系大多是处于平衡状态下的静态系统，在受到外界刺激的情况下，不具备进行相应调整的能力。构筑像生命系统一样具有自我监测与调节功能的材料体系，是当前自组装仿生材料研究的热点方向。

已报道的化学反应驱动的凝胶动态系统大多发生溶液与凝胶两种状态下的转变。在本研究中，通过合理的“微稳态模块”设计与调控，体系能够在分子层次上自发变换其内在的交联网络形式，将体系保持在稳定的凝胶状态。

在本工作中，作者采用了基于二肽1的水凝胶体系作为基础平台（图1）。这一凝胶体系可对酸碱度进行响应，当pH升高时，会发生凝胶向溶液的转变。在此基础上，作者引入了可原位改变体系酸碱度的两类化学反应，包括脲酶催化的尿素水解反应（产生碱性产物氨）以及甲酸甲酯的水解反应（产生酸性产物甲酸），构筑了酸碱度循环反馈系统。作者首先分别研究了两类化学反应对凝胶体系动态调控的可行性。如图2a所示，在只有尿素水解反应作用时，体系的pH会随时间升高，从而促使凝胶解离形成溶液。如果在体系中同时引入甲酸甲酸的水解反应，在尿素水解反应使得pH升高的同时，甲酸甲酯水解加速，产生的甲酸使得体系pH逐渐降低，进而引起凝胶的重新形成（图2b）。

图1. 本工作涉及到的分子体系以及稳态水凝胶系统的动态演变示意图。

为了实现凝胶形式的“稳态”，作者在这一体系中引入了另一元素钙离子。钙离子可以与体系在高pH下形成的羧酸负离子发生络合，从而使得体系在高pH下亦可形成凝胶。如图2c所示，钙离子的引入可以使得体系得以在不同pH范围内都能保持在凝胶状态下。作者对体系酸碱度、力学性质以及微观结构的实时变化进行了跟踪表征，结果表明体系中的分子组装行为与性质都随时间进行了动态变化与调整，在表观上使得体系保持了凝胶形态这一“稳态”。

图2：不同条件下凝胶体系的形态变化以及体系酸碱度(蓝色)、G’(黑色)、G’’(红色)和复合粘度(绿色)随时间的变化。

作者进一步展示了通过对单个“微稳态模块”进行改变，如变化甲酸甲酯或钙离子的浓度等，可以对凝胶体系动态行为进行调控。例如，增加甲酸甲酯的浓度同时保持所有其他参数不变，导致了体系酸碱度增加速率显著降低，反应介质的最大pH值也相应减小。酸碱度变化速率的改变直接影响了水凝胶力学性质的变化，导致了G’和G’’下降的延迟，使得凝胶初级组装结构的寿命增加（从大约2分钟增加到大约4分钟）。

图3：在增加甲酸甲酯的浓度同时保持所有其他参数不变的情况下，凝胶内部酸碱度、力学性质与微观结构随时间的变化。

免责声明：本文系网络转载或改编，未找到原创作者，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删