超分子水凝膠憑借其可逆的非共價(jià)相互作用，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，尤其是在組織工程和藥物遞送方面。然而，這類材料雖然具有刺激響應(yīng)性和自愈合等動(dòng)態(tài)特性，卻常常面臨力學(xué)性能較弱的挑戰(zhàn)。為了擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，研究人員嘗試引入第二層共價(jià)聚合物網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建雜化雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，從而顯著提升材料的抗拉伸、抗壓縮和抗斷裂能力。然而，盡管這種策略在力學(xué)增強(qiáng)方面取得了進(jìn)展，共價(jià)聚合物的加入如何影響超分子網(wǎng)絡(luò)的精細(xì)納米結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)期以來仍是一個(gè)被忽視但至關(guān)重要的科學(xué)問題。特別是在高分子濃度升高時(shí)，擁擠效應(yīng)和耗盡力可能誘導(dǎo)超分子纖維發(fā)生高階組裝，這一現(xiàn)象在凝膠相中尚未得到系統(tǒng)探索。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，萊頓大學(xué)Roxanne E. Kieltyka教授課題組首次揭示了共價(jià)網(wǎng)絡(luò)形成速率對(duì)雜化雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠中超分子纖維結(jié)構(gòu)的決定性作用。通過利用逆電子需求狄爾斯-阿爾德（IEDDA）反應(yīng)的可調(diào)動(dòng)力學(xué)特性，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：緩慢的共價(jià)交聯(lián)過程能夠促使超分子纖維在耗盡作用下自組裝成微米級(jí)纖維束，而快速的共價(jià)網(wǎng)絡(luò)形成則會(huì)動(dòng)力學(xué)鎖定低納米尺度的單根纖維結(jié)構(gòu)。這種微觀結(jié)構(gòu)的差異最終導(dǎo)致緩慢形成的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠在壓縮韌性上實(shí)現(xiàn)了近兩倍的提升，為通過反應(yīng)動(dòng)力學(xué)調(diào)控軟物質(zhì)多尺度結(jié)構(gòu)提供了全新思路。相關(guān)論文以“Covalent Network Formation Rate Controls Depletion-Induced Supramolecular Assembly in Hybrid Double Network Hydrogels”為題，發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition上。

雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的設(shè)計(jì)理念

為直觀展示這一創(chuàng)新策略，研究團(tuán)隊(duì)在示意圖中呈現(xiàn)了超分子-共價(jià)雙網(wǎng)絡(luò)（SCDN）水凝膠的構(gòu)建原理。圖中展示了兩種不同取代基的四嗪功能化PEG大單體（PEG-Tz1和PEG-Tz2），它們與PEG-降冰片烯（PEG-Nb）通過IEDDA點(diǎn)擊反應(yīng)形成共價(jià)網(wǎng)絡(luò)。與此同時(shí)，基于方酰胺的三足兩親分子（SQ）自組裝成超分子纖維網(wǎng)絡(luò)。關(guān)鍵在于，共價(jià)網(wǎng)絡(luò)的形成速率——無論是快速還是緩慢——決定了超分子纖維是保持分散狀態(tài)還是組裝成致密的纖維束，進(jìn)而影響水凝膠在壓縮載荷下的力學(xué)響應(yīng)行為。

圖1： 本工作中制備的超分子-共價(jià)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠示意圖。(A) 末端功能化四嗪（C-6位帶有不同取代基）的PEG大分子單體（PEG-Tz1和PEG-Tz2）通過逆電子需求Diels-Alder點(diǎn)擊反應(yīng)與PEG-降冰片烯（PEG-Nb）反應(yīng)控制共價(jià)網(wǎng)絡(luò)的形成速率。這些共價(jià)網(wǎng)絡(luò)在基于方酰胺的三腳架兩親分子（SQ）存在下形成，后者自組裝成超分子纖維，它們共同構(gòu)成SCDN水凝膠。(B) SCDNs（藍(lán)色網(wǎng)絡(luò)）由不同速率形成的共價(jià)網(wǎng)絡(luò)與超分子纖維（棕色網(wǎng)絡(luò)）組成的概念性圖示，以及耗竭誘導(dǎo)超分子組裝對(duì)雜化雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠壓縮行為的影響。深紅色纖維代表由棕色單根超分子納米結(jié)構(gòu)形成的超分子纖維束。

流變學(xué)揭示的雙階段凝膠化過程

通過振蕩流變學(xué)測(cè)量，研究人員量化了不同四嗪取代基對(duì)網(wǎng)絡(luò)形成速率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，帶有甲基取代基的PEG-Tz1與PEG-Nb反應(yīng)較慢，在37°C下凝膠點(diǎn)約為30分鐘（4 mM濃度），而氫取代的PEG-Tz2則反應(yīng)迅速，凝膠點(diǎn)僅需約2分鐘。當(dāng)將超分子SQ纖維引入體系后，慢速體系表現(xiàn)出明顯的雙階段凝膠化曲線：初期儲(chǔ)能模量（G'）約100 Pa，對(duì)應(yīng)SQ網(wǎng)絡(luò)的初步形成；隨后在3小時(shí)內(nèi)逐漸上升至1-2 kPa，反映共價(jià)網(wǎng)絡(luò)的逐步建立。相比之下，快速體系僅呈現(xiàn)單階段凝膠化曲線，在60分鐘內(nèi)G'即達(dá)到4-5 kPa的平臺(tái)值。值得注意的是，盡管兩種體系的最終模量相近，但慢速體系在SQ濃度高于3 mM時(shí)出現(xiàn)了G'的輕微下降，暗示著結(jié)構(gòu)的特殊演化。

圖2： 使用不同電子特性四嗪的SCDN水凝膠的振蕩流變學(xué)測(cè)量。含遞增濃度SQ的水凝膠儲(chǔ)能模量隨時(shí)間變化，使用快速PEG-Tz2（A、B）或慢速PEG-Tz1（C、D）大分子單體制備。快速PEG-Tz2（B）和慢速PEG-Tz1（D）SCDNs中各種SQ濃度下的平臺(tái)儲(chǔ)能模量（實(shí)心條）和損耗模量（條紋條）值。時(shí)間掃描測(cè)量使用0.05%應(yīng)變、1 Hz頻率和37°C條件。平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=3。

壓縮力學(xué)性能的顯著差異

單軸壓縮測(cè)試進(jìn)一步揭示了兩種網(wǎng)絡(luò)在力學(xué)性能上的巨大差異。慢速PEG-Tz1/Nb雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示，其斷裂應(yīng)力、斷裂應(yīng)變和韌性均顯著優(yōu)于快速PEG-Tz2/Nb體系。定量分析表明，慢速體系的韌性從快速體系的約7 kJ/m3提升至約15 kJ/m3，實(shí)現(xiàn)了超過兩倍的增強(qiáng)。同時(shí)，斷裂應(yīng)力和斷裂應(yīng)變也相應(yīng)提高。這一顯著的壓縮性能改善表明，慢速共價(jià)網(wǎng)絡(luò)形成過程中，超分子纖維的束狀結(jié)構(gòu)能夠更有效地傳遞載荷并耗散能量，從而賦予材料更高的抗壓能力。

圖3： 共價(jià)單網(wǎng)絡(luò)和SCDN水凝膠的壓縮流變學(xué)結(jié)果。(A) 單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，(B) 韌性，(C) 斷裂應(yīng)力，(D) 斷裂應(yīng)變。濃度：SN：3 mM PEG-Tz1/Nb（慢速）或PEG-Tz2/Nb（快速），SCDN：4 mM SQ和3 mM PEG-Tz1/Nb（慢速）或PEG-Tz2/Nb（快速）。樣品以10 μm/s的速度壓縮。平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=2。

冷凍電鏡揭示的微觀形貌差異

利用冷凍掃描電子顯微鏡（cryo-SEM），研究團(tuán)隊(duì)觀察了單一共價(jià)網(wǎng)絡(luò)和雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的微觀形貌。結(jié)果顯示，快速交聯(lián)的PEG-Tz2/Nb單一網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出較大的孔徑，而慢速交聯(lián)的PEG-Tz1/Nb網(wǎng)絡(luò)則具有更小且更均勻的孔結(jié)構(gòu)。當(dāng)引入SQ超分子纖維后，這種微觀結(jié)構(gòu)差異基本得以保持。然而，由于共價(jià)網(wǎng)絡(luò)與超分子纖維在形貌上難以區(qū)分，cryo-SEM無法直接可視化纖維束的形成，這促使研究人員轉(zhuǎn)向更高分辨率的共聚焦顯微鏡技術(shù)。

圖4： 單網(wǎng)絡(luò)（左）和SCDN（右）水凝膠的冷凍掃描電鏡成像（A-D）。快速PEG-Tz2/Nb（A、B）和慢速PEG-Tz1/Nb（C、D）的顯微照片。(E) 基于冷凍掃描電鏡圖像計(jì)算的孔徑參數(shù)。濃度：SN：3 mM PEG-Tz1/Nb或PEG-Tz2/Nb，SCDN：4 mM SQ和3 mM PEG-Tz1/Nb或PEG-Tz2/Nb。標(biāo)尺：300 nm。

共聚焦顯微鏡實(shí)時(shí)追蹤纖維束動(dòng)態(tài)形成

為了實(shí)現(xiàn)超分子纖維的可視化，研究人員合成了熒光標(biāo)記的SQ-Cy5單體（1 mol%），并將其與未標(biāo)記的SQ共組裝。通過共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）對(duì)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)3小時(shí)的實(shí)時(shí)成像，一個(gè)令人驚嘆的動(dòng)態(tài)過程得以揭示。在慢速交聯(lián)的PEG-Tz1/Nb網(wǎng)絡(luò)中，SQ纖維在3小時(shí)內(nèi)逐漸增粗、伸長(zhǎng)，最終形成直徑達(dá)296 ± 40 nm、長(zhǎng)度達(dá)數(shù)微米的致密纖維束。這一時(shí)間尺度與流變學(xué)中G'達(dá)到平臺(tái)值的時(shí)間完美吻合。相反，在快速交聯(lián)的PEG-Tz2/Nb網(wǎng)絡(luò)中，SQ纖維始終保持均勻分散狀態(tài)，即使監(jiān)測(cè)長(zhǎng)達(dá)一周也未觀察到任何成束現(xiàn)象。這一鮮明對(duì)比表明，快速共價(jià)交聯(lián)在超分子纖維發(fā)生側(cè)向相互作用之前就將其動(dòng)力學(xué)鎖定，而慢速交聯(lián)則為耗盡力驅(qū)動(dòng)的纖維組裝提供了充足的時(shí)間窗口。

圖5： (A) 快速和慢速SCDN水凝膠制備流程示意圖。(B) 快速（頂部）和慢速（底部）SCDN水凝膠（4 mM SQ和3 mM PEG-Tz1/Nb或PEG-Tz2/Nb）從t=0到3小時(shí)（每小時(shí)間隔）的代表性共聚焦成像時(shí)間序列。圖像中調(diào)整了亮度和對(duì)比度。原始（未處理）顯微照片見圖S6。SQ水凝膠含有1 mol% SQ-Cy5。標(biāo)尺：10 μm。

大分子擁擠劑誘導(dǎo)的纖維束形成

為了解耦共價(jià)交聯(lián)反應(yīng)與擁擠效應(yīng)的貢獻(xiàn)，研究人員分別將SQ纖維與PEG-Tz1、PEG-Tz2、PEG-Nb以及未修飾的PEG-OH和葡聚糖混合。令人驚訝的是，僅添加3 mM的PEG-Nb或PEG-OH即可誘導(dǎo)SQ纖維形成直徑約300 nm的束狀結(jié)構(gòu)，而PEG-Tz1和PEG-Tz2則無法實(shí)現(xiàn)這一效果。動(dòng)態(tài)光散射（DLS）分析揭示，四嗪功能化的PEG大單體在水溶液中傾向于自發(fā)聚集，導(dǎo)致其有效擁擠能力降低；而PEG-Nb和PEG-OH則保持較好的膠體穩(wěn)定性，能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的耗盡力。此外，經(jīng)典的擁擠劑葡聚糖（70 kDa，0.4 mM）同樣能夠誘導(dǎo)形成直徑更大的纖維束（448 ± 62 nm）。這些結(jié)果明確指出，純排阻體積效應(yīng)足以驅(qū)動(dòng)SQ超分子纖維的側(cè)向組裝，而臨界濃度約為3 mM。

圖6： (A) 使用各種大分子擁擠劑的超分子SQ水凝膠（4 mM）制備流程示意圖。(B) 含PEG-Nb（1-5 mM）的SQ水凝膠的共聚焦圖像，混合后立即成像（t=0 h）。(C) 含不同大分子擁擠劑（3 mM PEGs和0.4 mM葡聚糖）的SQ水凝膠的共聚焦圖像，37°C孵育3小時(shí)后成像。SQ水凝膠含有1 mol% SQ-Cy5。標(biāo)尺：10 μm。

光譜學(xué)證實(shí)分子堆積模式保持不變

紫外-可見光譜（UV-Vis）分析表明，無論是在PEG-Nb、PEG-OH還是葡聚糖存在下，SQ溶液的吸收光譜均與純SQ溶液完全一致，特征峰位于318 nm（頭尾氫鍵組裝體）和266 nm（肩峰）。然而，所有擁擠劑存在下的吸光度均約為純SQ溶液的一半，這與更大尺寸組裝體的形成相符。傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）進(jìn)一步證實(shí)，在凍干的SQ-PEG-Nb混合物中，SQ的N-H伸縮振動(dòng)、方酰胺環(huán)呼吸振動(dòng)以及氨基甲酸酯的C=O伸縮振動(dòng)均未發(fā)生改變，表明纖維束中SQ單體的分子堆積模式與單根纖維完全相同。這一發(fā)現(xiàn)至關(guān)重要，它證明耗盡誘導(dǎo)的組裝僅發(fā)生在介觀尺度，而不改變納米尺度的分子堆積，從而保留了超分子材料的功能性。

圖7： (A) 0.4 mM SQ（黑色虛線）和0.4 mM SQ與不同大分子單體的紫外-可見光譜：3 mM PEG-Nb（最深藍(lán)色）、3 mM PEG-OH（藍(lán)色）和0.4 mM葡聚糖（最淺藍(lán)色）。(B) 凍干的4 mM SQ和PEG-Nb混合物（3 mM，藍(lán)色；5 mM，黑色）樣品的傅里葉變換紅外光譜，突出氫鍵區(qū)域。(C) 0.4 mM SQ和3 mM PEG-Nb混合物的共聚焦圖像，顯示纖維束的形成。標(biāo)尺：10 μm。

總結(jié)與展望

本研究系統(tǒng)地揭示了共價(jià)網(wǎng)絡(luò)形成動(dòng)力學(xué)在調(diào)控雜化雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠中超分子纖維分級(jí)組裝中的決定性作用。通過調(diào)節(jié)IEDDA反應(yīng)的速率，研究團(tuán)隊(duì)首次建立了大單體反應(yīng)活性與分子擁擠效應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超分子纖維束形成的精確控制。慢速網(wǎng)絡(luò)形成為超分子纖維提供了足夠的動(dòng)態(tài)遷移時(shí)間，使其在耗盡作用下組裝成束；而快速交聯(lián)則動(dòng)力學(xué)鎖定系統(tǒng)于低納米尺度的初始組裝狀態(tài)。這種動(dòng)力學(xué)差異最終轉(zhuǎn)化為模塊化的應(yīng)力松弛和壓縮性能：快速體系表現(xiàn)出更快的應(yīng)力松弛但較低的韌性，而慢速體系則實(shí)現(xiàn)了韌性的兩倍增強(qiáng)。展望未來，這一設(shè)計(jì)原理可擴(kuò)展至其他共價(jià)鍵反應(yīng)體系（如pH、溫度、光響應(yīng)體系）和多種超分子單體，為構(gòu)建介觀尺度可編程的軟物質(zhì)材料提供了全新維度，在組織工程、軟體機(jī)器人和智能材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。