南京大学&中国科学院大学温州研究院·AM·水凝胶·力诱导自生长·机械记忆·组织工程支架·软机器人·力学传感器·植入式系统·4D打印结构
为了应对合成软材料难以像生命组织一样在反复机械负载下实现不可逆、可编程自增强的科学问题，南京大学提出了一种力学调控的蛋白水凝胶自生长策略。该团队以铜存储蛋白Csp1为力响应分子开关，将其作为PAAm网络的共价交联单元，并在网络中预置叠氮/炔基反应位点；拉伸使Csp1展开并释放Cu⁺，触发原位CuAAC反应形成二级共价交联，卸载后Csp1复折叠并重新螯合Cu⁺，从而暂停催化并保留下一轮生长能力。所得水凝胶在循环训练后Young’s modulus提升超过400%、最大应力提升超过250%，并表现出空间可编程的局部增强、机械记忆和良好生物相容性。该性能归因于蛋白构象动力学、Cu⁺稳态调控与力门控催化交联之间的闭环反馈。相关论文以“Mechanically Induced Adaptive Self-Growing Protein Hydrogel”为题，发表在Advanced Materials上。技术路线图（部分）如下：图1 中文图注：力诱导自适应自生长蛋白水凝胶的设计。（a）传统力响应自生长水凝胶示意图。一旦聚合被引发，新聚合物网络即开始形成，并在不依赖机械输入的情况下持续进行（插图：应变输入）。其力学性能，包括杨氏模量和最大应力，因初级网络断裂和自由基释放而先降低，随后随着新共价网络形成而提高。（b）自适应力响应自生长水凝胶及相应输入应变信号（插图）示意图。交联仅在机械加载期间发生，并在松弛后立即停止，从而实现应变依赖且可编程的网络发育。（c）铜储存蛋白水凝胶中力诱导自适应自生长机制。机械变形使 Csp1 展开并释放 Cu(I) 离子，后者催化网络中预载的叠氮/炔基单体发生共价交联。松弛后，Csp1 重新折叠并重新螯合 Cu(I) 离子，终止进一步生长并防止不可逆离子损失。（d）水凝胶内部力触发蛋白展开与重折叠的示意图，并与力诱导自适应自生长过程中 Cu(I) 催化的叠氮-炔基环加成（CuAAC）相耦合。图2 中文图注：蛋白展开介导的 Cu(I) 释放与重折叠介导的恢复的分子表征。（a）基于 AFM 的单分子力谱示意图。融合蛋白被共价锚定在玻璃基底上，并由功能化 AFM 悬臂拾取。（b）融合蛋白的代表性单分子力-伸长曲线。每个展开事件均采用蠕虫链（WLC）模型拟合。轮廓长度增量（ΔLc）约为 42 nm 的峰对应于 Csp1 展开（红色箭头），随后五个 GB1 展开峰（蓝色箭头）出现，末端峰代表 Fgβ/SdrG 复合物断裂（黑色箭头）。（c）Csp1 展开力直方图（平均值：120 ± 43 pN）。（d）Csp1 轮廓长度增量直方图（ΔLc = 42 ± 2.4 nm）。（e）超声触发 SC-Csp1-SC 力诱导展开并通过疏水染料 ANS 检测的示意图。（f，g）SC-Csp1-SC 溶液（1.25 mM）经超声或加热处理后，经 ANS 染色的荧光图像（f）和荧光光谱（g）。未处理蛋白作为对照。（h）Csp1 展开后从 SC-Csp1-SC 释放 Cu(I) 的示意图（上）和图像（下）（对照、超声、加热）；通过与二喹啉甲酸（BCA）络合形成紫色进行可视化。（i）对应于（h）的 UV-vis 吸收光谱。插图：Cu(I) 释放量定量（以 Csp1 储存的总 Cu(I) 为 100% 归一化）。（j）重折叠后 Cu(I) 离子恢复的示意图（上）和图像（下）。超声释放后，将 SC-Csp1-SC 溶液静置恢复 0、5 和 10 min，紫色逐渐褪去表明 Cu(I) 被 Csp1 重新摄取。（k）超声后，Cu(I) 恢复效率随静置时间变化的定量结果，以 Csp1 释放的总 Cu(I) 为 100%。(i 和 k) 插图中的数据以平均值 ± S.D. 表示，n = 3。图3 中文图注：Csp1 交联水凝胶中力诱导的 Cu(I) 离子释放与恢复。（a）单网络铜储存蛋白水凝胶（PAAm/Csp1 水凝胶）示意图。Csp1 通过 SpyCatcher-SpyTag 连接并随后共聚，作为共价交联剂。（b）机械拉伸诱导 Cu(I) 离子释放与恢复循环的示意图和照片，通过 BCA 显色法可视化。松弛使蛋白重折叠并实现 Cu(I) 恢复。（c）四次拉伸-松弛循环过程中的代表性应力-时间曲线。插图显示放大的松弛阶段。（d）PAAm/Csp1 水凝胶第一至第四次拉伸-松弛循环的叠加应力-应变曲线。（e）第一至第四次循环中归一化最大应力和残余应变汇总。数据以平均值 ± S.D. 表示，n = 3。（f）不同拉伸应变（100%、200%、400%）下，不同循环次数对应 Cu(I) 释放的热图。拉伸时间 = 10 min；C_Csp1 = 3 mM。（g）不同 Csp1 浓度（1、2、3 mM）下，不同循环次数对应 Cu(I) 释放的热图。拉伸时间 = 10 min；应变 = 400%。（h）不同拉伸持续时间（0、5、10 min）下，不同循环次数对应 Cu(I) 释放的热图。应变 = 400%；C_Csp1 = 3 mM。（i）不同拉伸应变（100%、200%、400%）下，不同循环次数对应 Cu(I) 恢复的热图。拉伸时间 = 10 min；松弛时间 = 0 min；C_Csp1 = 3 mM。（j）不同 Csp1 浓度（1、2、3 mM）下，不同循环次数对应 Cu(I) 恢复的热图。拉伸时间 = 10 min；松弛时间 = 0 min；应变 = 400%。（k）不同松弛持续时间（0、5、10 min）下 Cu(I) 恢复效率的热图。应变 = 400%；拉伸时间 = 10 min；C_Csp1 = 3 mM。图4 中文图注：力触发的水凝胶时空自生长。（a）负载叠氮和炔基的 Csp1 交联水凝胶网络（PAAm/Csp1/AA 水凝胶）示意图。（b）PAAm/Csp1/AA（蓝色）和 PAAm/apo-Csp1/AA（黄色）水凝胶在重复拉伸-松弛循环中的应变-时间和力-时间曲线。顶部曲线显示循环期间施加的输入应变信号。（c）含不同叠氮/炔基浓度（3、6 和 9 mM）的 PAAm/Csp1/AA 水凝胶在 16 次拉伸-松弛循环前（虚线）和循环后（实线）的应力-应变曲线。拉伸时间和松弛时间分别固定为 10 和 0 min；应变 = 400%。（d）PAAm/Csp1/AA 水凝胶在不同拉伸持续时间（0、5 和 10 min）下进行 16 次拉伸-松弛循环前（对照）和循环后的应力-应变曲线。C_Azide = C_Alkyne = 9 mM；松弛时间 = 0 min；应变 = 400%。（e）PAAm/Csp1/AA 水凝胶在不同松弛时间（0、5 和 10 min）下进行 16 次拉伸-松弛循环前（对照）和循环后的应力-应变曲线。C_Azide = C_Alkyne = 9 mM；拉伸时间 = 0 min；应变 = 400%。（f）PAAm/Csp1/AA 水凝胶在不同应变（100%、200% 和 400%）下进行 16 次拉伸-松弛循环前（对照）和循环后的应力-应变曲线。C_Azide = C_Alkyne = 9 mM；拉伸时间 = 0 min；松弛时间 = 0 min。（g）通过循环拉伸后依次举起质量增加的重物（50、70 和 100 g），可视化逐步力诱导自生长。（h）与（g）所示逐步举重行为对应的力-时间曲线。（i）力刻蚀示意图。模具对水凝胶的局部压缩选择性地在受压区域引发 CuAAC 反应。（j）图案化 PAAm/Csp1/AA 水凝胶的明场（上）和荧光（下）图像；利用 3-叠氮-7-羟基香豆素（3AH）可视化未反应的叠氮基团。比例尺（左、右）：分别为 2 mm 和 120 µm。（k）由（j）所示受压区域和未受压区域的 AFM 纳米压痕获得的杨氏模量直方图。图5 中文图注：力触发的 Cu(I) 催化叠氮-炔基环加成（CuAAC）和二级交联形成的机制验证。（a）由展开 Csp1 释放 Cu(I) 引发 CuAAC 的示意图。（b，c）单网络 PAAm/Csp1 水凝胶经拉伸-松弛循环后所收集渗出液的光学图像（b）和荧光光谱（c），采用 CuAAC 荧光开启探针 3AH 检测。比例尺：3 mm。（d–f）PAAm/Csp1/AA 水凝胶在不同拉伸-松弛循环后，用 3AH 测定的 CuAAC 反应示意图（d）、图像（e）和反应效率（f）。比例尺：10 mm。f 中数据以平均值 ± S.D. 表示，n = 3。（g）PAAm/Csp1/AA 水凝胶经 0、8 和 16 次拉伸-松弛循环后的 FT-IR 光谱。（h）PAAm/Csp1/AA 水凝胶在增加拉伸-松弛循环次数后的 SEM 图像（上）及相应孔径分布（下）。比例尺：7 µm。（i）PAAm/apo-Csp1/AA（左）和 PAAm/Csp1/AA（右）水凝胶在 300% 应变下的双折射图像。比例尺：20 mm。（j）随着拉伸-松弛循环次数增加，（i）中水凝胶的双折射强度定量演化。研究动机：生命组织能够在反复机械负载下通过基质重塑逐步增强力学性能，例如骨、胶原组织和细胞骨架网络均可根据力学环境进行适应性强化。如何在合成软材料中复制这种“受力—反应—结构演化—力学增强”的适应性增长，是水凝胶与软物质力学领域的重要前沿问题。前人工作瓶颈：传统应变硬化水凝胶主要依赖纤维取向、网络重构或超分子缔合，强化多发生于单次形变过程，卸载后难以保留永久增强；已有自生长水凝胶多依赖键断裂诱导聚合、链展开或外源单体扩散，存在反应不可逆、传播不可控、需要外部供料或时空调控不足等问题。本工作的解决方案：研究团队将金属储存蛋白Csp1引入PAAm水凝胶网络，利用Csp1受力展开释放Cu⁺、卸载复折叠后重新螯合Cu⁺的可逆循环，调控Cu⁺催化的叠氮-炔基环加成反应，使二级共价交联仅在机械加载时形成，并在卸载后快速停止。引出关键问题：该研究回应了如何在封闭体系内将宏观机械输入转化为可逆离子释放、可控催化反应与累积网络增强的核心问题，为单网络水凝胶的自适应力学进化提供了蛋白介导的机制路径。提出了力诱导自适应自生长蛋白水凝胶的创新点，将Csp1的力敏感展开/复折叠行为与Cu⁺催化交联反应耦合，实现了机械刺激对水凝胶结构增长的启动、暂停和再启动。创新性地采用铜存储蛋白作为力门控催化模块，使Cu⁺在加载时由蛋白释放并在卸载时被重新螯合，构建了具有金属离子稳态的闭环机械催化反馈，而不是传统的键断裂后不可控聚合。提出了无需外部单体供给的封闭体系自增强策略，通过在水凝胶网络中预置叠氮和炔基反应位点，使机械训练直接转化为二级共价交联密度增加和基线力学性能提升。实现了应力依赖、时间依赖和空间可图案化的水凝胶机械记忆，材料可在不同负载下逐级增强，并通过机械光刻形成局部高模量区域，展示了力学编码结构演化的新模式。材料原料：丙烯酰胺、SpyTag-AA、SpyCatcher-Csp1-SpyCatcher、LAP光引发剂、[Cu(CH₃CN)₄]PF₆、acrylate-PEG-azide、propargyl methacrylate、HEPES缓冲液等。合成策略：通过SpyTag/SpyCatcher自发共价连接将Csp1功能化为可聚合交联单元，再在紫外光引发下进行PAAm网络原位自由基聚合，并同步将叠氮/炔基功能基团预装入水凝胶网络。合成机理关键词：蛋白共价交联、光引发原位聚合、Csp1力诱导展开、Cu⁺释放-再螯合、Cu⁺催化叠氮-炔基环加成、二级共价交联、闭环机械催化反馈。材料性能优势：所得PAAm/Csp1/AA水凝胶具有可编程机械记忆、循环加载自增强、局部力学图案化、金属离子稳态调控、封闭体系自生长以及良好细胞相容性等优势。应用领域简写：适应性生物材料（ABM）、组织工程支架（TES）、软机器人（SR）、力学传感系统（MS）、植入式系统（IS）等。主要性能表现：PAAm/Csp1/AA水凝胶在约400%应变的循环拉伸-松弛训练后，Young’s modulus可提升超过400%，最大应力提升超过250%；16个循环后增强趋于饱和，表明材料具备累积但自限制的机械生长行为。性能支撑机制：拉伸使Csp1在网络内展开并释放Cu⁺，释放的Cu⁺催化预置叠氮/炔基发生CuAAC反应，形成新的二级共价交联；卸载后Csp1复折叠并重新捕获Cu⁺，从而终止催化反应并避免持续离子泄漏。结构/原料设计赋能：Csp1作为共价交联点兼力响应催化开关，PAAm提供连续柔性网络，叠氮/炔基提供可被Cu⁺激活的潜伏反应位点，三者共同构成可由机械输入调节的单网络自进化结构。次要性能表现：材料表现出空间分辨增强、逐级举升负载、局部机械光刻、稳定Cu⁺释放-再结合循环以及1–7天细胞培养中的良好生物相容性；在PBS、pH 7.4、37 ℃条件下孵育18天后仍保持类似的Cu⁺释放/再结合特征和力学表现。机理支撑：AFM单分子力谱显示Csp1约在120 pN下展开，BCA显色和ANS荧光证明受力或超声处理可诱导Cu⁺释放与蛋白展开；3AH荧光、FT-IR、SEM、双折射和SAXS共同证明机械训练触发CuAAC反应、孔结构致密化和各向异性网络重构。结构/原料归因：较低的Csp1展开力阈值降低了机械化学激活难度；可逆金属螯合维持Cu⁺稳态；预装的反应基团决定最终增强上限；受力区域内Cu⁺局部释放与二级交联形成赋予材料方向性致密化和机械记忆。材料综合特性汇总：该水凝胶兼具高可拉伸性、循环训练自增强、力门控催化、封闭体系自生长、金属离子可逆稳态、空间可编程增强和生物相容性，体现了从可逆应变硬化到不可逆但可控网络重塑的功能升级。典型应用方向：材料可面向原位组织支架、4D打印结构、软机器人、力学自适应传感器、植入式自强化材料和机械记忆型软物质器件等场景。具体表现指标：PAAm/Csp1单网络水凝胶断裂应变超过647%、断裂应力最高达173 kPa；PAAm/Csp1/AA水凝胶在16次循环后Young’s modulus和最大应力显著提升；3AH分析显示8次和16次循环后的炔基消耗分别约为47.96%和96.47%；机械光刻区域Young’s modulus约为63.14 kPa，高于未压缩区域的约28.94 kPa。研究成果的核心贡献：该研究建立了以蛋白构象动力学调控催化反应的水凝胶自生长范式，实现了机械输入对化学交联生成的闭环控制，为可训练、自强化软材料提供了新的分子设计原则。科学或工程意义：该工作将生物机械转导中“受力-构象变化-功能调控”的逻辑引入合成水凝胶，突破了传统应变硬化材料无法长期保留增强、传统机械化学水凝胶难以低阈值可控激活的限制。潜在拓展应用领域：该策略可拓展至其他具备力诱导金属释放能力的金属蛋白体系，并可能服务于自适应组织工程、运动训练型植入材料、软机器人执行器、智能传感界面和可编程4D结构制造等领域。凝胶种类：蛋白水凝胶·PAAm/Csp1水凝胶·PAAm/Csp1/AA水凝胶·自生长水凝胶·力响应水凝胶机理：力诱导蛋白展开·蛋白复折叠·Cu⁺释放-再螯合·CuAAC反应·二级共价交联·机械催化反馈·金属离子稳态·机械光刻性能：自适应增强·机械记忆·应力依赖生长·时间依赖生长·空间可编程强化·高拉伸性·循环稳定性·生物相容性·各向异性网络致密化应用：组织工程支架·软机器人·力学传感器·植入式系统·4D打印结构·适应性生物材料通讯作者：Yiran Li；Yi Cao；Bin Xue；Wei Wang研究单位（中文）：南京大学先进微结构协同创新中心、固体微结构国家实验室与物理学院；中国科学院大学温州研究院；宁夏大学化学化工学院煤炭高效利用与绿色化工国家实验室；济南微生态生物医学山东实验室；南京大学化学化工学院化学生物医学创新中心；南京大学医学院附属南京口腔医院口腔医学研究所；南京大学脑科学研究院DOI: 10.1002/adma.202523636本公众号发布的内容（包括但不限于文字、图片、视频、音频及设计素材等），如有侵权，请联系删除。我们始终尊重知识产权，遵守《中华人民共和国著作权法》等相关法律法规，致力于维护健康的内容创作环境。欢迎大家免费投稿，联系邮箱：Gel_hub@163.com
