《Science》子刊:高强度、高韧性、可快速回复的水凝胶​

肌肉、软骨和肌腱等软支撑组织表现出高弹性、高韧性和回复速度快的机械性能。然而,很难合成同时具有这些机械性能的生物材料。这主要是由于具有高强度和高韧性的水凝胶要求交联剂的解离速度慢和应力下活性势磊高,而水凝胶的快速回复性能则要求交联剂是动态的,且解离和缔合速率快。这种矛盾使得很难合成同时具有高强度、高韧性和快速回复的水凝胶。

南京大学的曹毅和王炜,浙江大学的陈彬(共同通讯作者)等人一方面利用金属配合物具有快速的结合和解离速率,另一方面利用串联结合位点,形成协同作用,提高金属配合物的稳定性,获得具有强度高,韧性好和回复速率快的杂化网络水凝胶。该论文以题为“Molecular engineering of metal coordination interactions for strong,tough, and fast-recovery hydrogels”发表在《Science Advances》上。

图文解析

研究者们首先设计了三种富含组氨酸的短肽(HR-肽)作为配体分别于Zn2+结合,用以构建杂化网络(HN)水凝胶(图1)。这三种肽的序列分别是Gly-Gly-His (记为 PH1),Gly-His-His-Pro-His (记为 PH3)和 Gly-His-His-Pro-His-Gly-His-His-Pro-His (记为PH6)。PH1是仅含一个金属离子配体(组氨酸残基)的对照组,PH3含有可形成一个特定金属离子结合位点的三个组氨酸残基,PH6由PH3的两个串联重复序列组成,可与Zn2+形成两个紧密排列的络合物。通过等温滴定量热法测试表明由于PH6中串联排列的结合位点,所以PH6对Zn2+的结合亲和力最高且远高于PH1和PH3对Zn2+的结合亲和力。通过改变PH3和PH6中的残基结构和圆二色性方法进一步表明PH6独特的序列和其第一个Zn2+配位点的构象极其重要,它们可确保肽与Zn2+结合的协同效应,从而保证PH6与Zn2+的强亲和力

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图1 协同工程、键合常数和承载负荷中金属离子在分子水平上的配位相互作用机理。(A)不同配体数形成金属离子配位络合物的模型图。(B-D)等温滴定量热测试数据。(E、F)肽与Zn2+的结合常数。(G-J)圆二色性光谱。(K)PH6与Zn2+的协同结合机理示意图。

图2是HR肽-Zn2+络合物的AFM单分子力谱。图2表明形成串联结合位点使得PH6-Zn2+机械性能稳定。分别通过等温滴定量热法和单分子AFM获得肽-金属离子络合物的机械解离和再缔合数据(图3),表明PH1的金属离子结合配体处于隔离状态,肽金属离子络合物同时显示出低缔合自由能磊和低解离自由能磊,所以相应的水凝胶的回复速率快但是机械强度低。对于PH6,由于两个结合位点串联排列,且机械断裂时两个位点同时断裂,所以机械性能稳定,总自由能磊高。由于两个结合位点中的Zn2+的协同作用,所以第二个结合位点的缔合速率更快。

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图2 金属离子配位化合物的单分子力谱。(A)基于AFM的单分子力光谱实验示意图。(B-D)在1000 nm S-1的拉伸速率下,肽-Zn2+断裂时的典型力-拉伸曲线。(E-G)肽-Zn2+断裂力直方图。

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图3 肽-Zn2+相互作用的状态模型和自由能态。(A)不同状态下肽-Zn2+的名称。(B)肽-Zn2+相互作用的自由能态。

研究者们以HR-肽-Zn2+络合物作为牺牲交联剂,丙烯酸酯封端的四臂聚乙二醇为形成共价键的永久交联剂制得水凝胶HN-PHn(n=1,3和6;图4),其中HN-PH6的吸水率最低,压缩性最好。在~1.6 Hz的频率下对HN-PH6水凝胶进行压缩或拉伸循环100次,水凝胶未被破坏

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图4 由肽-Zn2+配位复合物交联制备的HN-PHn水凝胶的结构和性能。(A)不同水凝胶的网络结构示意图。(B)水凝胶在一个压缩-松弛循环下的光学图。(C)HN-PH6水凝胶在极端压缩条件下的光学图。(D)HN-PH6凝胶在极端拉伸条件下的光学图。(E)HN-PH6凝胶扭成螺旋状的光学图。(F)锋利刀片对HN-PH6凝胶进行压缩并放松后的光学图。 

HN-PH6水凝胶的断裂伸长率、杨氏模量和韧性远高于HN-PH3和HN-PH1水凝胶(图5)。应力-应变循环曲线中,HN-PH6水凝胶的滞后效应比HN-PH1和HN-PH3均小,表明该凝胶的回复速率快。在HN-PH6凝胶的负载-卸载循环图中,不同循环几乎重合,表明该凝胶的回复速率快。多尺度本构理论(图6)进一步证明协同作用使得水凝胶具有突出的机械性能。

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图5 HN-PHn凝胶的机械和快速回复性能。

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图6 水凝胶的机械响应的理论计算

亮点总结

a)与单金属离子配体的肽相比,具有串联排列的结合位点的PH6,可显著增加与Zn2+的亲和力

b)串联金属离子结合位点可显著提高金属-配体复合物的机械稳定性,主要是由于串联的结合位点在机械断裂时同时断裂;

c)以PH6-Zn2+复合物为牺牲交联剂,共价键为永久交联剂,制得HN-PH6的强度高、韧性高和回复速率快 

原文链接:

https://advances.sciencemag.org/content/6/16/eaaz9531

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