中科院过程所闫学海团队Matter：相分离液滴的热力学和动力学稳定性

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　　4月17日，中国科学院过程工程研究所的闫学海研究团队以“Steering phase-separated droplets to control fibrillar network evolution of supramolecular peptide hydrogels”为题发表最新成果。研究团队在不改变水凝胶化学组成的前提下，运用液-液相分离（LLPS）介导自组装原理，控制水凝胶纤维网络的结构演化实现了对其机械性能的灵活调控。相关研究发表于Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上。

　　自组装肽超分子水凝胶在组织工程、药物递送和生物传感等各个领域都显示出巨大的应用前景。机械性能是水凝胶的重要性能指标，在不同的应用领域有不同的性能要求。精确和灵活控制肽水凝胶的机械性能以匹配目标应用场景非常重要。例如，在组织工程中，水凝胶的机械性能会影响细胞生长；软骨替代材料需要较高的硬度；药物递送需要水凝胶具有较好的剪切变稀和快速恢复性能。

　　调控超分子水凝胶的机械性能的常见方法一般包括：改变配方（不同肽序列、添加交联剂）、改变环境条件（浓度、温度、pH和离子），这不可避免地改变了水凝胶的化学组成。肽超分子水凝胶的结构单元是自组装纳米纤维，它们通过缠结或交联形成网络，并截留大量的水以实现自支撑。在微观尺度上，水凝胶的机械性质由自组装纳米纤维的结构强度以及这些纳米纤维之间交联程度决定。因此，调节这些纳米纤维的形成过程及其相应的非共价交联网络对控制超分子水凝胶的机械性质至关重要。

　　鉴于此，中国科学院过程工程研究所的闫学海研究团队探索了在不改变水凝胶化学组成的前提下，运用液-液相分离（LLPS）介导自组装原理，控制水凝胶纤维网络的结构演化实现了对其机械性能的灵活调控（如图1所示）。

　　图1 运用液-液相分离液滴调控肽自组装路径和水凝胶纤维网络结构演化的示意图

　　相分离液滴的热力学和动力学稳定性

　　在制备水凝胶时，通过良溶剂-不良溶剂混合的方法获得了相分离液滴。通过初始培育温度控制相分离液滴的数量和尺寸：在高温获得数量较少的亚微米级大液滴，在低温获得数量众多的纳米液滴。在相转变温度以下获得不同自组装初级纤维（如图2所示）。

　　图2 相分离液滴的热力学和动力学稳定性。

　　不同前驱体自组装过程中的结构演变

　　将不同初始温度培育的样品通过程序降温获得不同的自组装前驱体，包括海胆状的纤维、串珠状的纤维，亦或是放射状的纤维团簇。在进一步的纤维生长和非共价交联网络形成过程中，前驱体结构的差异导致纤维直径、数量、分支结构和网络交联密度均不同（如图3所示）。

　　图3 不同前驱体自组装过程中的结构演变。

　　不同自组装途径的条件矩阵和水凝胶流变学性质表征

　　通过流变学表征发现，经历不同纤维网络演化的水凝胶，尽管化学组成保持不变，但却具有不同的机械强度和可恢复性能。以往的研究发现经历加热和冷却过程的水凝胶具有更高的机械强度。在本研究中通过程序化控制孵育温度实现对自组装前驱体的结构控制，存在一个最佳初始孵育温度，使得水凝胶具有最优的机械强度和可恢复性。这个最佳初始温度恰恰是液滴向纤维的转化温度（如图4所示）。

　　图4 不同自组装途径的条件矩阵和水凝胶流变学性质表征

　　相转变过程中的分子间相互作用变化

　　为了进一步探究相转变温度与最佳孵育温度的联系，研究人员通过原位变温1H NMR和原位变温ThT荧光实验方法，表征了相转变过程中分子间π-π相互作用强度和分子排列方式变化情况。同时利用副本交换分子动力学（REMD）模拟方法分析了不同温度的分子聚集程度、分子间氢键数量、肽分子间相互作用能和肽-水溶剂间相互作用能，确认了相转变温度的微观基础（如图5所示）。

　　图5 相转变过程中的分子间相互作用变化

　　通过不同自组装途径的非共价交联网络形成模式

　　为了进一步证实相转变温度与纤维网络形成过程的关系，研究人员通过粗粒分子动力学（CGMD）模拟方法重现了实验中观察到的3种纤维网络形成模式：（1） 大液滴转化而成的粗纳米纤维交织形成的稀疏网络；（2） 具有类似液体的性质的串珠状纤维，通过纤维融合形成的中等密度网络；（3） 放射状纤维簇通过增加纤维簇的数量和细原纤维的长度形成的高密度网络（如图6所示）。

　　图6 通过不同自组装途径的非共价交联网络形成模式

　　总结和展望

　　在这项工作中，研究人员证明了通过控制LLPS形成的亚稳态液滴介导的自组装路径可以调控超分子水凝胶的纤维网络结构。通过控制相分离液滴的大小和数量，可以获得不同类型的自组装前驱体，并在凝胶化过程中表现出不同的非共价交联模式的纤维网络演变过程。水凝胶的最强机械强度和最佳恢复性能可以在最佳初始孵育温度下实现，该温度正是当前浓度条件下的相转变温度。实验和REMD模拟结果表明：在相转变温度，肽分子表现出强烈的聚集倾向和去溶剂化效应、增强的分子间非共价相互作用，同时形成动态亚稳氢键。CGMD模拟结果进一步证明，相转变温度有利于分支结构的形成，避免了自组装纳米纤维仅在长度或直径上的快速生长，从而使水凝胶在肽浓度不变的条件下具有最佳的纳米纤维结构强度和交联密度。LLPS介导的动态自组装和不同非共价交联模式的发现丰富了对水凝胶形成过程的理解，这些发现也为灵活控制制备具有目标机械强度的超分子水凝胶提供了依据。

　　论文第一作者是中科院过程所周鹏助理研究员，通讯作者是闫学海研究员、袁成前和李琦副研究员。

　　相关论文信息

　　论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上

　　▌论文标题：

　　Steering phase-separated droplets to control fibrillar network evolution of supramolecular peptide hydrogels

　　▌论文网址：

　　https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00131-5

　　▌DOI：

　　https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.03.029

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