西湖大学团队《自然·通讯》：揭示水调控肽组装结构力学性能机理，实现宏观强韧纤维制备

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-02-03 07:50

正文

近日，西湖大学化学系王怀民团队和生科院马丹团队合作在《Nature Communications》发表了题为“Water-regulated viscosity-plasticity phase transitions in a peptide self-assembled muscle-like hydrogel”研究成果，成功开发出一种基于天然四肽YAWF（酪氨酸-丙氨酸-色氨酸-苯丙氨酸）的自组装液晶水凝胶（Liquid-Crystal Hydrogel, LCH）。通过精确设计氨基酸序列，该材料不仅具备超高粘度和动态稳定性，还可通过简单拉伸形成长度超过1米、直径不足1微米的纤维，其强度可承载自身重量250倍的负荷。该研究在原子分辨率下揭示了氨基酸序列对自组装结构的决定性作用，为开发可编程生物材料提供了新思路。

自组装是分子通过非共价相互作用（如氢键、π-π堆积、静电作用等）自发形成有序结构的过程。尽管自组装在自然界中广泛存在（如蛋白质折叠、DNA双螺旋结构等），但小分子自组装材料通常只能形成纳米级结构，难以构建宏观尺度兼具较好力学性能的稳定纤维材料。这主要是因为小分子间的非共价作用力较弱，难以支撑大尺度结构的力学性能。西湖大学团队通过序列优化，发现了一种由酪氨酸（Y）、丙氨酸（A）、色氨酸（W）、苯丙氨酸（F）组成的四肽YAWF （图1）。这种肽链在水溶液中可自发形成液晶水凝胶，兼具液体的流动性与晶体的有序性，展现出独特的力学性能和结构特性。同时团队发现四肽的氨基酸顺序是突破这一限制的关键：YAWF中三个芳香族氨基酸（酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸）与丙氨酸的特定排列，形成了独特的分子间作用网络。研究团队通过对比23种序列异构体的实验（如FAWY、WAFY），证明仅YAWF能形成高取向性纳米管，其他异构体则因作用力失衡导致结构紊乱。这一发现揭示了氨基酸序列在自组装过程中的决定性作用，为设计新型功能材料提供了重要依据。

图1. 多肽分子结构、组装体系制备和透射电镜展示相变过程

结构解析

研究团队利用冷冻电镜（Cryo-EM）首次在原子分辨率下解析了YAWF纳米管的三维螺旋结构（图2）。这种结构由多个YAWF分子通过氢键和芳香环堆积相互作用形成，呈现出一种“Y”形排列。具体来说，酪氨酸残基通过氢键构成中央隧道内壁，色氨酸与苯丙氨酸通过π-π堆积形成外壳，丙氨酸作为柔性连接桥。这种精确的分子排布使材料兼具高粘性（90.5 Pa·s，约为水的10万倍）和动态自愈能力。

“水调控”成就超强力学性能

研究团队发现，通过外力拉伸结合水分蒸发调控，YAWF水凝胶可以形成长度超1米、直径不足1微米的超细纤维。这种纤维的杨氏模量达10-30兆帕，可承载自身重量250倍的负荷。更令人惊叹的是，材料可通过加水回收重塑，实现循环利用。研究团队通过实验揭示了水分子在纤维形成过程中的关键作用。在拉伸过程中，水分子从凝胶中被挤出，导致纳米管之间的距离缩短，材料的弹性增加。随着拉伸的继续，水分子进一步蒸发，最终形成稳定的固态纤维。这一过程被称为“水调控结晶”，是YAWF水凝胶能够形成宏观强韧材料的关键机制。

图2. 多肽纤维性能以及冷冻电镜结果

仿生特性与潜在应用

YAWF水凝胶的力学行为模拟了肌肉收缩机制：松弛时纳米管无序排列，类似于放松的肌肉；拉伸时纳米管有序排布，类似于肌肉收缩；过度拉伸则引发弹性-塑性转变，类似于肌肉纤维在高张力下的断裂与回弹。这一特性使其在人工肌肉、柔性传感器等领域极具潜力。未来可通过调节环境湿度，实现材料的智能形变响应。例如，利用湿度变化控制材料的伸缩，可以开发出新型的人工肌肉或智能穿戴设备以及调控细胞的支架材料。

总结：这项研究突破了小分子自组装材料难以构建宏观强韧性纤维结构的瓶颈，为绿色可持续高性能材料的开发提供了一种途径。YAWF水凝胶不仅具备优异的力学性能，还展现出良好的生物相容性和可回收性，未来在生物医学、柔性电子等领域具有广阔的应用前景。文章第一作者为西湖大学博士研究生方煜和史珺辉。研究得到了国家重点研发计划，自然基金和浙江省基金的支持。

全文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-56415-7

来源：高分子科学前沿首发

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