超分子水凝膠憑借其可逆的非共價相互作用，在生物醫(yī)學領域展現(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性和自愈合等動態(tài)特性，卻常常面臨力學性能較弱的挑戰(zhàn)。為了擴展其應用范圍，研究人員嘗試引入第二層共價聚合物網(wǎng)絡，構建雜化雙網(wǎng)絡水凝膠，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增強方面取得了進展，共價聚合物的加入如何影響超分子網(wǎng)絡的精細納米結構，長期以來仍是一個被忽視但至關重要的科學問題。特別是在高分子濃度升高時，擁擠效應和耗盡力可能誘導超分子纖維發(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。

針對上述挑戰(zhàn)，萊頓大學Roxanne E. Kieltyka教授課題組首次揭示了共價網(wǎng)絡形成速率對雜化雙網(wǎng)絡水凝膠中超分子纖維結構的決定性作用。通過利用逆電子需求狄爾斯-阿爾德（IEDDA）反應的可調(diào)動力學特性，研究團隊發(fā)現(xiàn)：緩慢的共價交聯(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纖維束，而快速的共價網(wǎng)絡形成則會動力學鎖定低納米尺度的單根纖維結構。這種微觀結構的差異最終導致緩慢形成的雙網(wǎng)絡水凝膠在壓縮韌性上實現(xiàn)了近兩倍的提升，為通過反應動力學調(diào)控軟物質(zhì)多尺度結構提供了全新思路。相關論文以“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)絡水凝膠的設計理念

為直觀展示這一創(chuàng)新策略，研究團隊在示意圖中呈現(xiàn)了超分子-共價雙網(wǎng)絡（SCDN）水凝膠的構建原理。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點擊反應形成共價網(wǎng)絡。與此同時，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。關鍵在于，共價網(wǎng)絡的形成速率——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，進而影響水凝膠在壓縮載荷下的力學響應行為。

圖1： 本工作中制備的超分子-共價雙網(wǎng)絡水凝膠示意圖。(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點擊反應與PEG-降冰片烯（PEG-Nb）反應控制共價網(wǎng)絡的形成速率。這些共價網(wǎng)絡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，它們共同構成SCDN水凝膠。(B) SCDNs（藍色網(wǎng)絡）由不同速率形成的共價網(wǎng)絡與超分子纖維（棕色網(wǎng)絡）組成的概念性圖示，以及耗竭誘導超分子組裝對雜化雙網(wǎng)絡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構形成的超分子纖維束。

流變學揭示的雙階段凝膠化過程

通過振蕩流變學測量，研究人員量化了不同四嗪取代基對網(wǎng)絡形成速率的影響。實驗結果顯示，帶有甲基取代基的PEG-Tz1與PEG-Nb反應較慢，在37°C下凝膠點約為30分鐘（4 mM濃度），而氫取代的PEG-Tz2則反應迅速，凝膠點僅需約2分鐘。當將超分子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：初期儲能模量（G'）約100 Pa，對應SQ網(wǎng)絡的初步形成；隨后在3小時內(nèi)逐漸上升至1-2 kPa，反映共價網(wǎng)絡的逐步建立。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'即達到4-5 kPa的平臺值。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時出現(xiàn)了G'的輕微下降，暗示著結構的特殊演化。

圖2： 使用不同電子特性四嗪的SCDN水凝膠的振蕩流變學測量。含遞增濃度SQ的水凝膠儲能模量隨時間變化，使用快速PEG-Tz2（A、B）或慢速PEG-Tz1（C、D）大分子單體制備�？焖貾EG-Tz2（B）和慢速PEG-Tz1（D）SCDNs中各種SQ濃度下的平臺儲能模量（實心條）和損耗模量（條紋條）值。時間掃描測量使用0.05%應變、1 Hz頻率和37°C條件。平均值±標準差，n=3。

壓縮力學性能的顯著差異

單軸壓縮測試進一步揭示了兩種網(wǎng)絡在力學性能上的巨大差異。慢速PEG-Tz1/Nb雙網(wǎng)絡水凝膠的應力-應變曲線顯示，其斷裂應力、斷裂應變和韌性均顯著優(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，實現(xiàn)了超過兩倍的增強。同時，斷裂應力和斷裂應變也相應提高。這一顯著的壓縮性能改善表明，慢速共價網(wǎng)絡形成過程中，超分子纖維的束狀結構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： 共價單網(wǎng)絡和SCDN水凝膠的壓縮流變學結果。(A) 單軸應力-應變曲線，(B) 韌性，(C) 斷裂應力，(D) 斷裂應變。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±標準差，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），研究團隊觀察了單一共價網(wǎng)絡和雙網(wǎng)絡水凝膠的微觀形貌。結果顯示，快速交聯(lián)的PEG-Tz2/Nb單一網(wǎng)絡呈現(xiàn)出較大的孔徑，而慢速交聯(lián)的PEG-Tz1/Nb網(wǎng)絡則具有更小且更均勻的孔結構。當引入SQ超分子纖維后，這種微觀結構差異基本得以保持。然而，由于共價網(wǎng)絡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。

圖4： 單網(wǎng)絡（左）和SCDN（右）水凝膠的冷凍掃描電鏡成像（A-D）�？焖貾EG-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。標尺：300 nm。

共聚焦顯微鏡實時追蹤纖維束動態(tài)形成

為了實現(xiàn)超分子纖維的可視化，研究人員合成了熒光標記的SQ-Cy5單體（1 mol%），并將其與未標記的SQ共組裝。通過共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）對雙網(wǎng)絡水凝膠進行長達3小時的實時成像，一個令人驚嘆的動態(tài)過程得以揭示。在慢速交聯(lián)的PEG-Tz1/Nb網(wǎng)絡中，SQ纖維在3小時內(nèi)逐漸增粗、伸長，最終形成直徑達296 ± 40 nm、長度達數(shù)微米的致密纖維束。這一時間尺度與流變學中G'達到平臺值的時間完美吻合。相反，在快速交聯(lián)的PEG-Tz2/Nb網(wǎng)絡中，SQ纖維始終保持均勻分散狀態(tài)，即使監(jiān)測長達一周也未觀察到任何成束現(xiàn)象。這一鮮明對比表明，快速共價交聯(lián)在超分子纖維發(fā)生側(cè)向相互作用之前就將其動力學鎖定，而慢速交聯(lián)則為耗盡力驅(qū)動的纖維組裝提供了充足的時間窗口。

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（每小時間隔）的代表性共聚焦成像時間序列。圖像中調(diào)整了亮度和對比度。原始（未處理）顯微照片見圖S6。SQ水凝膠含有1 mol% SQ-Cy5。標尺：10 μm。

大分子擁擠劑誘導的纖維束形成

為了解耦共價交聯(lián)反應與擁擠效應的貢獻，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SQ纖維形成直徑約300 nm的束狀結構，而PEG-Tz1和PEG-Tz2則無法實現(xiàn)這一效果。動態(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）同樣能夠誘導形成直徑更大的纖維束（448 ± 62 nm）。這些結果明確指出，純排阻體積效應足以驅(qū)動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小時后成像。SQ水凝膠含有1 mol% SQ-Cy5。標尺：10 μm。

光譜學證實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）進一步證實，在凍干的SQ-PEG-Nb混合物中，SQ的N-H伸縮振動、方酰胺環(huán)呼吸振動以及氨基甲酸酯的C=O伸縮振動均未發(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)至關重要，它證明耗盡誘導的組裝僅發(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（最深藍色）、3 mM PEG-OH（藍色）和0.4 mM葡聚糖（最淺藍色）。(B) 凍干的4 mM SQ和PEG-Nb混合物（3 mM，藍色；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。標尺：10 μm。

總結與展望

本研究系統(tǒng)地揭示了共價網(wǎng)絡形成動力學在調(diào)控雜化雙網(wǎng)絡水凝膠中超分子纖維分級組裝中的決定性作用。通過調(diào)節(jié)IEDDA反應的速率，研究團隊首次建立了大單體反應活性與分子擁擠效應之間的關聯(lián)，實現(xiàn)了對超分子纖維束形成的精確控制。慢速網(wǎng)絡形成為超分子纖維提供了足夠的動態(tài)遷移時間，使其在耗盡作用下組裝成束；而快速交聯(lián)則動力學鎖定系統(tǒng)于低納米尺度的初始組裝狀態(tài)。這種動力學差異最終轉(zhuǎn)化為模塊化的應力松弛和壓縮性能：快速體系表現(xiàn)出更快的應力松弛但較低的韌性，而慢速體系則實現(xiàn)了韌性的兩倍增強。展望未來，這一設計原理可擴展至其他共價鍵反應體系（如pH、溫度、光響應體系）和多種超分子單體，為構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、軟體機器人和智能材料等領域具有廣闊的應用前景。