郑轻大刘春森、天大宋健、埃因霍温理工大学E. W. Meijer《JACS》：仿生自调节水凝胶

超螺旋结构在自然界中广泛存在，在维持生物体系的稳定性、适应性及功能性方面发挥着重要作用。胶原蛋白作为一种关键的结构蛋白，由三条左手α链缠绕形成右手超螺旋，其分级结构与动态构象适应性共同赋予其优异的结构支撑能力，并参与多种生命过程的调控。在人工系统中构建具备类似天然体系的结构复杂性和动态可逆手性行为，依然面临着显著的挑战。

近日，郑州轻工业大学刘春森教授、荷兰埃因霍温理工大学E. W. Meijer教授、李晶晶博士、天津大学宋健教授等合作，以鸟苷和吡啶-4-硼酸为前驱体，利用酶催化的化学反应网络，构筑了首例化学燃料驱动的仿生自调节水凝胶（图1）。该体系能够在不经过溶液相的情况下，实现自发的Gel–to–Gel转变，并伴随超螺旋到单螺旋的手性反转。与传统的Gel–Sol–Gel体系相比，该系统的独特优势在于具备动态稳定性，在结构转变时维持三维网络连续性；具备跨尺度可控性，能够实现从分子手性到超螺旋拓扑的多级动态调控；具备仿生适应性，能够模拟胶原蛋白的超螺旋结构与应力响应行为。目前的发现为开发可编程仿生手性软材料提供了全新思路。该研究以题为“Self-Regulating Hydrogel with Reversible Optical Activity in Its Gel-to-Gel Transformation”的论文发表在《J. Am. Chem. Soc.》上。李晶晶博士为该论文第一作者。

图1|胶原蛋白与人工超分子体系中超螺旋与单螺旋结构的手性反转。

【热凝胶和pH依赖的超分子手性】

首先，采用常规的加热-冷却方法研究了天然鸟苷（D-Guanosine, DG）和吡啶-4-硼酸(4-PyB)混合物在热力学平衡条件下的pH依赖凝胶特性和光学活性（图2）。研究表明，G和4-PyB在pH 3.0-10.0范围内具有广泛的成胶能力，并且在酸性、中性和碱性条件下表现出连续的超分子手性反转效应。组装机理研究表明（图3），在碱性条件下，G和4-PyB生成阴离子的硼酸酯化合物[DG-4-PyB]⁻，其通过氢键和π-π堆积相互作用，形成右手螺旋的G-四链体结构。Cryo-TEM显示凝胶为单纤维结构。在酸性条件下，G和4-PyB生成两性离子的硼酸酯化合物[DG-4-PyB]^±。其自组装形成右手螺旋的G-四链体结构。而中性条件下，[DG-4-PyB]^±和[DG-4-PyB]⁻共组装，形成左手超螺旋的纤维束结构。

图2|热引发的自组装和pH依赖的光学活性

图3| pH依赖的组装机理

【自调节的Gel-to-Gel的转变和超分子手性反转】

基于课题组前期所开发的硼酸酯基的化学反应网络（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202114471; Nat.Commun. 2023, 14, 5030），本研究使用脲酶和酯酶为化学燃料，构筑了一个pH-反馈体系，并详细研究了其在pH升高-降低的连续变化过程中的凝胶情况和超分子手性变化情况（图4）。结果表明，该体系可经历四种不同的凝胶状态和三种手性光学状态（M-超螺旋、P-单螺旋及宏观无手性态）之间的可逆转变。凝胶在宏观上经历从不透明凝胶→透明凝胶→半透明凝胶→全透明凝胶”的演变，其机械性能随pH变化和凝胶状态变化发生自适应调节。该体系区别于传统的Gel–Sol–Gel模式，最大的创新在于无需经历溶胶态即可实现直接的Gel-to-Gel转变，同时伴随超分子手性从超螺旋向单螺旋结构的动态可逆切换，展现出优异的动态稳定性和结构调控能力。这一策略为构建具有动态调控能力和可编程手性光学性能的自调节软材料提供了全新思路。

图4|自调节的Gel-to-Gel的转变和超分子手性反转

【小结】

该研究构建了一种新型超分子凝胶体系，首次实现了在不经过溶液相的情况下完成凝胶-凝胶（Gel-to-Gel）直接转变，并伴随超螺旋与单螺旋结构间的光学手性可逆切换。该体系以中性条件下呈sp³杂化结构的4-吡啶硼酸与鸟苷为构筑单元，结合酶催化反应网络，实现对体系pH的自主动态调控。在结构转变过程中，凝胶保持三维网络的连续性，展现出优异的宏观稳定性，同时实现对手性、形貌及力学性能的精准调节。该体系集成了分级自组装、动态手性反转与自调节机制，为可编程仿生手性软材料的设计提供了全新策略。