生物组织可在持续力学刺激下自适应强化与重塑，但在人工合成材料中复现这一特性仍面临巨大挑战。传统自生长水凝胶多依赖键断裂引发聚合、反应不可控或需要外源单体供给，而纯力学响应体系往往活化力过高、条件苛刻，难以在温和水环境下实现精准可控的自适应生长。
南京大学王伟教授团队研发了一种力诱导自适应自生长蛋白水凝胶，利用铜储存蛋白 Csp1 作为力学敏感分子开关，在受力时展开释放铜离子，催化叠氮 - 炔基环加成反应形成原位二次交联，卸力后蛋白重新折叠并回收铜离子，使生长精准停止。相关成果发表于期刊《Advanced Materials》。
图1 机械诱导自生长适应性蛋白质水凝胶的设计
图2 蛋白质解链介导的铜(I)释放及重折叠介导的恢复的分子特征分析
该体系以 Csp1 为主要交联点，聚丙烯酰胺为连续相，网络内预先引入叠氮与炔基官能团，在密闭体系内即可实现力学驱动的自强化过程。受力时，Csp1 在约 120 pN 应力下展开，释放铜离子触发 CuAAC 点击化学反应，新增共价交联；卸载后蛋白质快速重折叠，重新螯合铜离子，催化反应立即终止，形成可重复开关的力学催化闭环。
图3 机械作用下在 Csp1 聚合物交联水凝胶中铜(I)离子的释放与恢复
单分子力谱与溶液实验证实，Csp1 可在超声或拉伸作用下可逆展开与重折叠，并实现铜离子的可控释放与回收，10 分钟内回收效率可达 78%。在水凝胶中，循环拉伸可实现铜离子的局域富集与精准催化，二次交联仅发生在受力区域，实现空间可控的自生长。
图4 机械触发的水凝胶时空自生长
经过循环力学训练，水凝胶的杨氏模量与最大应力可分别提升超 4 倍与 2.5 倍，断裂功提升近 3.8 倍，并可通过应变、拉伸时间、松弛时间等参数编程调控自强化程度。该材料还可实现力学图案化，受压区域模量显著提高，形成稳定的结构与功能差异化分布。
图5 对机械触发的铜(I)催化的叠氮-炔烃环加成反应（CuAAC）以及二次交联形成的机制验证
该水凝胶在循环加载下展现出可编程力学记忆与逐步自适应强化行为，全程无需外源单体、无离子泄漏、生物相容性良好，区别于传统应变硬化与不可逆自生长机制，为类生命体自适应软材料提供全新设计范式。
综上，本研究构建的力响应自生长蛋白水凝胶，将蛋白质可逆折叠与力学催化化学相结合，首次实现密闭体系内温和、可控、可重复、局域化的自强化过程，为智能仿生材料、组织工程支架、4D 打印与柔性机器人等领域提供突破性平台。
