自組裝溶膠-凝膠
響應環境或用戶施加的刺激而改變形式或功能的軟材料具有廣泛的生物醫學應用。凝膠可以在水中由弱相互作用的分子形成，但在分子濃度或應用溫度發生變化時恢復到流動的液體懸浮液狀態，稱為溶膠。這種行為稱為重入相變。凝膠到溶膠的相變通常由濃度降低引起，這意味著凝膠在稀釋時變成溶膠，而溶膠變成濃度增加的凝膠。在自組裝過程中，分子由于它們的特性或它們所處的條件而形成特定的結構。幾種自組裝圖案已用于制備軟材料。一種是母體利用具有一定超分子間作用的分子，如定向氫鍵單元，形成超分子聚合物。這種類型的絲狀組裝，讓人聯想到高持久長度的聚合物。另一個常見的是簡單的表面活性劑，它們通過疏水結合組裝成稱為膠束的球形物體。表面活性劑作為去污劑和界面穩定劑以及在脂質納米顆粒疫苗中具有廣泛的應用。
當混合由不同基序制備的分子時，自組裝通常遵循自分類的熱力學偏好，這意味著每個物種形成自己的分離結構。然而，由于不同分子基序具有共同的驅動力，因此實現純自分類可能是一項挑戰。當潛在的驅動力（例如疏水結合）在不同的基序之間保持不變時，多組分共組裝會出現有趣的現象。在這種情況下，分子之間相互作用強度的微小調整可以決定不同自組裝結構的出現。由于這些相同的相互作用受溶液的濃度、溫度和鹽或 pH 值等參數控制，因此可以通過控制這些參數來調整生成的組件以創建響應材料平臺。兩個自組裝基序的濃度依賴性相互作用，是通過超分子聚合或表面活性劑膠束形成的不同機制組裝的基序。
關鍵問題
交互式和自適應軟材料的設計需要復雜的化學成分組成，自然往往是其靈感來源。但是根據基于自然實現軟材料的設計仍存在以下關鍵問題：
1. 自然過程難以理解：由多種締合和解離相互作用形成的多組分系統是生物物質的關鍵特征，但所有這些相互作用的競爭性相互作用使得對某些自然過程的理解很困難。
2. 構建合成系統模仿自然過程：液-液相分離通常伴隨著重入相變 (RPT) 的發生，溫度的變化和/或其中一種成分的添加會導致原始階段的重現。這種現象在細胞內無膜細胞器的形成中起關鍵作用。在熱力學平衡下具有許多組分的分子系統中的相變，只需要對分子間相互作用的強度進行微小的調整來調節具有特定成分的不同結構域的形成，這為合成系統提供依據。
新思路
有鑒于此，埃因霍溫科技大學E. W. Meijer等人基于使用超分子聚合物和表面活性劑的意外稀釋誘導組裝過程提出了兩個重入相變的整合。水溶性苯-1,3,5-三甲酰胺 (BTA-EG4) 和表面活性劑以特定比例的共組裝產生了小尺寸的聚集體。這些交互是使用兩個組件的自分類和共同組裝之間的競爭來建模的。通過在水中兩倍稀釋而不改變它們的比例，將小尺寸聚集體轉化為超分子聚合物網絡。動力學實驗表明在稀釋過程中微米長纖維的原位生長。通過引入另一種正交相互作用，能夠創建在稀釋時經歷完全可逆的水凝膠-溶液-水凝膠-溶液轉變的系統。
技術方案：
1、發現了溶膠-凝膠轉變
作者使用的超分子聚合物基序是BTA-EG4的盤狀分子，它易于在水中堆積成細長的納米級細絲，這些細絲可以纏結形成凝膠。當這種超分子基序與表面活性劑結合時，超分子絲的形成受到抑制，因為表面活性劑會破壞堆積。在稀釋后，由于表面活性劑和 BTA-EG4 之間的相互作用減弱，觀察到意外的溶膠到凝膠轉變，從而使 BTA-EG4恢復其首選的絲狀組裝。溶膠相和凝膠相都以這兩個正交基序的相同相對組成存在，并且只需要改變總的總濃度，系統就可以在其溶膠和凝膠狀態之間振蕩。
2、展示了復雜的凝膠-溶膠-凝膠-溶膠稀釋級聯
作者基于多組件和正交自組裝準備了兩種不同的方案。由BTA-EG4和表面活性劑制備的體系可以從堅固的凝膠狀態開始，起始濃度非常高，超分子基序與表面活性劑的摩爾比為2/3。在這種高初始濃度下，由兩個基序組成的球形組件融合形成網絡。稀釋后，會出現由類似球形組件組成的溶膠，但濃度低于形成融合網絡所需的濃度。從這一點繼續稀釋通過形成BTA-EG4基序優選的超分子絲來恢復凝膠狀態。然而，額外的稀釋可將這些細絲的纏結減少到凝膠形成閾值以下，從而再次恢復溶膠。
3、實現了不同凝膠-溶膠-凝膠-溶膠級聯
作者還展示了一種能夠實現不同凝膠-溶膠-凝膠-溶膠級聯的替代方案。通過引入能夠形成另一個正交超分子網絡的第三分子，該組分包含形成長纖維束的脲基嘧啶酮 (UPy)超分子基序。盡管UPy基序也與表面活性劑相互作用，但組裝的UPy纖維束并未明顯受到表面活性劑的干擾。通過這種方法，BTA-EG4和表面活性劑的系統，在以前形成由球形組件組成的溶膠的濃度下，可以通過添加高濃度的UPy纖維狀結構來形成凝膠。從該初始點稀釋超過了UPy網絡的凝膠化能力，但尚未達到誘導BTA-EG4細絲形成的點，從而產生溶膠。持續稀釋激活 BTA-EG4細絲形成，其與剩余的UPy纖維束結合恢復凝膠狀態，包括兩個正交的超分子聚合物網絡：BTA-EG4和UPy網絡。在進一步稀釋后，系統再次轉變回溶膠。
技術優勢：
1. 實現了自然復雜現象的簡單合成體系模擬
本工作中材料的分子尺度自組裝的可調特性提供了利用簡單合成體系模仿自然界中觀察到的更復雜現象。例如，無膜細胞器——細胞內沒有被傳統脂質膜包圍的不同隔室——被認為是由液-液相分離產生的，因為在水環境中形成這些組件的相關多組分系統的濃度梯度，這在生物信號傳導中起到重要作用。
2. 闡明了引起濃度依賴性相分離的微妙熱力學驅動力的重要性
本文工作描述了簡單系統的行為，該系統包含多種競爭性相互作用，從而模仿自然過程，作者闡明了引起濃度依賴性相分離的微妙熱力學驅動力的重要性。這種由高度適應性和稀釋觸發的水凝膠組成的自組裝材料的范例可能進一步導致設計用于原位調節治療性生物醫學功能的刺激響應材料平臺。
3. 首次解析了稀釋誘導的水中超分子聚合的潛在機制
作者通過構建水性合成超分子系統，通過凝膠-溶膠狀態轉換過程的可視化，解析了水中超分子聚合的潛在機制，并實現了凝膠-溶膠-凝膠-溶膠級聯。
技術細節
水中稀釋誘導的凝膠化
構建水性合成超分子系統的兩個常用單元是表面活性劑和超分子單體。單體BTA-EG4 在水中進行超分子聚合，在氫鍵和疏水效應的驅動下，以微摩爾濃度提供一維聚集體，并通過親水性四甘醇基團使其溶于水。動態水凝膠在濃度高于 8 mM時形成。陽離子表面活性劑辛基三甲基溴化銨 (OTAB) 形成球形膠束，其流體動力學直徑高于其臨界膠束濃度約2 nm。通過結合這兩個單元來研究正交性時觀察到加入 OTAB 引起了 BTA-EG4 水凝膠的完全破壞。所得溶液在稀釋后轉化為透明水凝膠，然后在進一步稀釋后重新進入溶液相，從而在水中產生超分子溶膠-溶膠RPT。前兩種狀態通過低溫透射電子顯微鏡（cryo-TEM）和小角X射線散射（SAXS）可視化。該過程通過增加濃度是完全可逆的。在超分子單元稀釋后，它與兩個集成RPT（凝膠-溶膠-溶膠）的開發相結合。
闡明稀釋時溶膠-凝膠轉變的途徑
作者研究了BTA-EG4與微摩爾濃度的表面活性劑庫之間的相互作用。通過采用陽離子表面活性劑西曲溴銨為例，進行了核磁共振 (NMR)和低溫TEM測量。表明了所有表面活性劑都整合在聚合物中。這些較小的聚集體通過低溫TEM 圖像得到證實，纖維長度小于500 nm。紫外可見（UV-vis）光譜證實了纖維破裂和小BTA 聚集體的形成。這種轉變取決于總濃度以及兩種組分的比例，在 BTA 濃度較低時需要更多的表面活性劑。聚合物與表面活性劑的飽和使結構不穩定并在高濃度表面活性劑下破壞纖維，這很可能是由于形成的結構中的靜電和/或幾何約束的結果。對其他表面活性劑的研究揭示了三個相關結論：（i）表面活性劑和BTA-EG4之間的親和力取決于表面活性劑的脂肪鏈長度，（ii）BTA-EG4 纖維在表面活性劑的CMC以下不穩定， (iii) 過渡取決于總濃度和組分的比例。
作者構建了熱力學質量平衡模型，以證實稀釋后的溶膠凝膠轉變是由表面活性劑與 BTA-EG4 聚合物的濃度依賴性絡合驅動的。該模型描述了超分子聚合、膠束化、CTAB與聚合物的絡合以及聚合物坍塌之間的競爭。隨后研究了BTA-EG4 溶液的稀釋誘導效應。隨著對水中稀釋誘導的超分子聚合機制的理解，通過兩種不同的策略引入額外的正交相互作用，開發了兩個RPT的整合：第一種策略利用聚合物表面活性劑的固有特性導致更高濃度的進一步聚集，而第二種策略利用具有不同凝膠濃度窗口的正交超分子雙網絡。
在水中稀釋誘導的凝膠-溶膠-凝膠-溶膠轉變
作者通過 UV-vis、NMR和cryo-TEM評估了OPEG與BTA-EG4在微摩爾濃度下的相互作用，顯示出與 CTAB 觀察到的行為相似的行為。在Milli-Q (MQ)–H2O中優化的BTA-EG4: OPEG摩爾比為 2:3 產生了不透明的凝膠1，目數約為10到20nm。密集的網絡由融合的BTAEG4/OPEG膠束的蠕蟲狀纖維組成。流變實驗表明，儲能模量G'高達 2 kPa，復數粘度h*高于2 kPa·s，以及快速和近乎完全的自愈行為。當用水將該凝膠稀釋后，由于融合膠束的解離，在平衡后獲得溶液。當該溶液進一步稀釋后，形成了透明動態凝膠。這種凝膠化是由OPEG從BTAEG4/OPEG膠束復合物中解離/釋放觸發的，這使得 BTA 纖維能夠伸長并導致形成典型的纏結 BTA-EG4 纖維網絡。進一步稀釋后，水凝膠變為粘性溶液。BTA-EG4的良好生物相容性為在更復雜的介質中應用這種多組分系統提供了進一步的機會。整個過程使用磷酸鹽緩沖鹽水和DMEM/F12基礎培養基，顯示出與在MQ-H2O中觀察到的相同的RPT行為。此外，當施加生理溫度時，凝膠1的G'降低了 8 倍，這可能是由于BTA-EG4/OPEG 膠束的快速解離。
稀釋后纖維的動力學原位形成
在探索了特定濃度下的不同狀態后，作者測試了跟蹤這些聚合物在稀釋時形成的方法。使用全內反射熒光顯微鏡 (TIRFM) 來追蹤在將濃溶液液滴添加到水性薄膜中后超分子聚合物纖維的原位形成。根據觀察結果，作者將生長和收縮分別歸因于液滴和液滴的濃度梯度——類似于兩親分子從液滴中擠出時由Marangoni流在中尺度定位中形成的動態互聯網絡現象。這些結果強調了濃度在多組分系統中的關鍵作用，有助于理解生物學中的幾種現象，其中 RPT 對于理解細胞凝聚物至關重要。
展望
總之，作者首次報道了稀釋后形成凝膠這一獨特的現象，并對分子尺度的自組裝過程進行了探究和解析。根據材料中分子尺度自組裝的可調特性為模擬自然界中觀察到的更復雜現象提供了簡單體系的合成依據，基于本工作的研究發現，作者設計了多種策略實現了級聯的溶膠-凝膠-溶膠-凝膠系統。該工作所報道的高度適應性和稀釋觸發的水凝膠組成的自組裝材料的新范例可能進一步導致設計用于原位調節治療性生物醫學功能的刺激響應材料平臺。
