科學前沿：材料領域之水凝膠專刊

水凝膠是一類具有親水基團，能被水溶脹但不溶於水的具有網絡結構的聚合物。它能感知外界刺激的微小變化，如溫度、pH值、離子強度、電場、磁場等，並能對刺激發生敏感性的響應，通常可通過體積的溶脹或收縮來實現。經過一百多年的發展，水凝膠在日用品、工業用品、農業土建、生物醫學等領域都有廣泛應用。

在此，精選最新10篇JACS，對其進行歸納總結，期望能給大家瞭解水凝膠提供一些幫助。

1. JACS：光不穩定連接體--利用不穩定鍵化學控制水凝膠降解和蛋白質釋放的方式和速率

光致發光材料已被廣泛應用於肽合成、控制蛋白活化、可調諧動態材料等領域。硝基苄基(NB)連接物的光致變色特性很容易被調節，以響應細胞相容性光劑量，並被廣泛應用於細胞培養和其他生物應用中。雖然被廣泛應用，但對於微環境，特別是封閉的水環境(如水凝膠)如何影響NB分子的裂解方式和速率卻知之甚少，從而導致在控制系統性能(如快速水解或緩慢光解)方面存在不可預測的侷限性。有鑑於此，美國特拉華大學的April M. Kloxin、Christopher J. Kloxin等研究人員，合成並表徵了含不同不穩定鍵（即酯、酰胺、碳酸鹽或氨基甲酸酯）的NB部分的光解和水解，這些不穩定鍵用作分步生長水凝膠中的不穩定交聯。

本文要點：

2）利用光解和水解降解的協同性和正交性，設計了裝載不同載體(例如，帶有不同熒光團的模型蛋白)的同心圓柱水凝膠，分別用於組合釋放和順序釋放。

總而言之，這項工作為調節NB鍵合物的降解性提供了新的簡便的化學方法，併為多模式可降解水凝膠的構建提供了一種創新的策略，不僅可以用來指導可調材料平臺的設計，還可以用於控制合成或表面改性策略的設計。

PaigeJ. LeValley, et al. Photolabile Linkers: Exploiting Labile Bond Chemistry toControl Mode and Rate of Hydrogel Degradation and Protein Release. Journal ofthe American Chemical Society, 2020.

DOI：10.1021/jacs.9b11564

2. JACS：化學引發的軟物質的合成、重塑和降解

在諸如生物學，醫學和製造業的各種研究領域中，已經出現了能夠在接收外部刺激時適應其結構、組成和反應性的刺激響應性聚合物。目前，對其性質的控制僅限於單個化學官能團的互換，以及非常有限的結構/形態變化。類似地，可降解聚合物是聚合物科學中的重要目標，並且已在醫學、藥物輸送、微電子學和環境保護等領域得到廣泛應用。2018年，Lamb等人報道稱，亞太地區有10億件塑料製品纏在珊瑚礁上。因此，塑料和其他聚合物的降解變得越來越重要。聚合物拓撲結構決定了材料的動力學和機械性能。對於大多數聚合物，拓撲結構是一個靜態特性。

在此，德克薩斯大學奧斯汀分校Eric V. Anslyn與Nathaniel A. Lynd等人提出了一種策略來化學觸發聚合物中的動態拓撲變化，以對特定的化學刺激產生響應。從二聚PEG和疏水性線性材料、輕度交聯的聚合物和交聯的水凝膠開始，轉變為兩親性線性聚合物、輕度交聯和線性的無規共聚物，交聯的聚合物和三種不同的水凝膠基體是通過兩個可控的交聯反應實現的：可逆的共軛加成和硫醇-二硫鍵交換。值得注意的是，所有的聚合物，在發生形態變化之前或之後，都可以被觸發降解成巰基或胺基終止的小分子。聚合物形態的可控轉變及其降解預示著智能材料的新生。

XiaolongSun, Malgorzata Chwatko, Doo-Hee Lee, James Bachman, James F. Reuther,Nathaniel A. Lynd, Eric V. Anslyn. Chemically-Triggered Synthesis, Remodeling,and Degradation of Soft Materials. J.Am. Chem. Soc. 2020.

DOI:10.1021/jacs.9b12122

3. JACS: 超分子水凝膠的新組裝模式

雖然在高分子體系中，凝膠化過程和較低的臨界溶液溫度（LCST）行為是公認的，但在超分子凝膠化過程中，低分子量凝膠劑（LMWGs）很少表現出LCST行為。在此，湖南大學董盛誼和西北大學Bo Zheng等人報道了一個具有LCST型熱響應性和LCST觸發的超分子凝膠化過程的LMWG系統。溫度在該體系中起著至關重要的作用，不僅影響LCST的相分離，而且觸發了凝膠化過程。所得水凝膠的骨架（三維結構）是經過LCST相分離的LMWG的分層組裝體。因此，只有當凝膠化溫度高於LCST行為的臨界轉變溫度（Tcloud）時，LMWG才能實現凝膠化，這與許多超分子或聚合物水凝膠體系不同。

ShuanggenWu, Qiao Zhang, Yan Deng, Xing Li, Zheng Luo, Bo Zheng, and Shengyi Dong.Assembly Pattern of Supramolecular Hydrogel Induced by Lower Critical SolutionTemperature Behavior of Low-Molecular-Weight Gelator. Journal of the AmericanChemical Society 2019.

DOI:10.1021/jacs.9b11290

4. JACS：這個水凝膠很傲嬌：自己生產燃料，自動循環編程！

自然界利用超分子結構來實現一些重要功能，如免疫反應、轉錄、運動和細胞分裂。在重要的非平衡超分子過程中，自然界將催化作為控制組裝和反應週期的必不可少的工具。例如，酶促蛋氨酸的氧化調節肌動蛋白的分解或組裝，和在微管蛋白分解或組裝中發現催化磷酸鳥苷三磷酸的水解。

與自然界類似，燃料驅動的反應循環已被用於產生非平衡的自組裝。一些研究表明使用生物和合成催化劑來控制組件中的超分子順序和性質，但是這些研究是處於平衡狀態。對於非平衡系統，催化劑可用於預先編程（預）燃料釋放和活動以進行精確的動力學控制。儘管酶已用於此目的，但具有催化控制的合成非平衡系統的實例卻很少。這是因為在用於（去）活化結構單元的反應循環中實施用於燃料生成的催化劑是非常具有挑戰性的。它需要仔細研究偶聯反應的動力學，以及所得的（分解）組裝過程，同時使催化劑保持活性所需的時間段。

成果簡介：

有鑑於此，法國斯特拉斯堡大學Thomas M. Hermans和Nishant Singh等人介紹了一個完全人工的反應循環，該循環由“預燃料”催化獲得的化學燃料所驅動。反應循環可以控制水凝膠的分解和重新組裝，其中燃料前轉換率決定了水凝膠的形態和機械性能。通過添加新的小份燃料和清除廢物，水凝膠可以一次又一次地重新編程。

圖1. 示意圖。

畫重點：

催化燃料反應循環涉及先前報道的醛-糖水凝膠劑（SachCHO）。但是該研究在溫和的條件下（25ºC）進行，可使SachSO3-保持穩定。

宏觀上看，由於靜電排斥，SachCHO凝膠在加入DT後迅速分解（即SachCHO轉化為SachSO3-），在幾分鐘內得到澄清溶液。為了實現再凝膠化，利用甲醛作為燃料，消耗SachSO3-並恢復原始的SachCHO分子。值得注意是，燃料甲醛是由葡糖酸-三內酯（GdL）水解介導的酸催化將預燃料HMTA催化而成。

圖2. 反應過程圖

因此，在開始時候，將燃料系統（即DT，GdL和HMTA）添加到SachCHO水凝膠中，即可以自動進行化學加油的瞬態循環，進行凝膠-溶膠-凝膠轉變。

圖3. 循環流程圖。

小結：

綜上所述，該研究提出了一個完全合成的系統，其中驅動（分解）組裝路徑的反應循環具有內置的催化過程，可從預燃料中生產燃料。該方法產生的水凝膠的形態和材料性能可以控制，並且可以一次又一次地重新編程。這將賦予對耗散性自我組裝所涉及的所有步驟非常需要的控制，並有助於創建純合成類生命系統，類似於在生命材料中的控制（如肌肉）。

NishantSingh,et al. Re-Programming Hydrogel Properties using a Fuel-driven ReactionCycle, Journalof the American Chemical Society 2020.

DOI:10.1021/jacs.9b11503

5. JACS：基因編碼的光裂解linkers用於生物材料中模式蛋白釋放

鑑於蛋白質在幾乎所有的生物過程中均扮演著重要的角色，研究者們對控制其在生物材料中的表達和釋放具有極大興趣。儘管有如此大的熱情，但早前在此方面制定的戰略造成了界定不清和異質種群活動的大幅減少，從而阻礙了其在脆弱物種包括生長因子在內的成功應用。近日，美國華盛頓大學Cole A. DeForest研究團隊介紹了一種模塊化和可擴展的方法，用於創建單分散的、基因編碼的嵌合體，此嵌合體可將生物活性蛋白固定在聚合物水凝膠中，隨後通過光致釋放。

在化學酶反應、生物正交化學和光遺傳學的最新發展基礎上，通過光可切割白蛋白（PhoCl）將熒光蛋白、模型酶和生長因子特異性定位於凝膠生物材料上，通過暴露在細胞相容性可見光（λ ≈ 400 nm）下以劑量依賴方式產生不可逆骨架光分解。利用常用光源基於掩膜和激光掃描光刻技術，在保持水凝膠活性同時，對水凝膠中蛋白質釋放進行了時空模態研究。利用光照表皮生長因子表達促進三維各向異性細胞增殖。此方法有望在藥物輸送、診斷和再生醫學中得到廣泛應用。

JaredA. Shadish, Alder C. Strange, Cole A. DeForest. Genetically EncodedPhotocleavable Linkers for Patterned Protein Release from Biomaterials. JACS.2019. doi：10.1021/jacs.9b07239

6. JACS：DNA toehold開關編程藥物釋放動力學

儘管智能藥物遞送系統(DDSs)具有較高的遞送效率和更好的化療效果，但以可控的方式在靶向腫瘤細胞中精準釋放藥物仍然具有挑戰性。在此，華東師範大學裴昊研究團隊開發了DNAtoehold開關工程球形核酸模板水凝膠(SNAgel)，用於靶向癌細胞中化療(腫瘤殺傷)藥物的現場主動爆發釋放。通過在雜交鏈式反應(HCR)產生的SNAgel上設計配體特異性的toehold序列，以及對動力學的主動動態控制，實現了有效載荷在60.52到5.49 min寬 t1/2範圍內的爆發釋放。SNAgel以致密的DNA外殼偽裝，能夠在體內延長血液循環、靶向聚集、細胞進入和誘導凋亡。無論是在癌細胞系還是在荷瘤小鼠的異種移植瘤中，SNAgels的增強抗癌活性均得到證實。這種DNA工程的動力學控制方法為開發用於癌症治療的DDSs模式轉換提供了新思路。

MingshuXiao, Wei Lai, Fei Wang, et al. Programming Drug Delivery Kinetics for ActiveBurst Release with DNA Toehold Switches. J. Am. Chem. Soc., 2019. doi：10.1021/jacs.9b10765

7. JACS：基於抗體-抗原相互作用的競爭型通用光子晶體生物傳感器

能夠檢測不同類型生物分子的傳感器在生物醫學研究領域有著廣泛的應用，但儘管經過多年的研究，開發適用於資源有限地區的即時（POC）應用的生物傳感器仍然具有極大的挑戰性。基於光子晶體水凝膠(PCH)的傳感器在這方面有很大的希望，因為它相比其它現有的生物分析方法有許多優點。然而，目前所有的PCH生物傳感器都侷限於能靈敏、選擇性好地檢測出的分析物類型。

利用強大且普遍存在的抗體-抗原相互作用，新加坡國立大學姚少欽、中國海洋大學王巍等人首次報道了基於競爭的PCH生物傳感器，能夠以高靈敏度、高選擇性、低背景和極好的可逆性對各種生物分子(如蛋白質、肽和小分子)進行肉眼檢測。結果表明，這種PCH設計可以推廣到不同酶檢測生物傳感器的製備中。這些新型生物傳感器的普遍特性使得POC生物傳感器在其他生物分析系統的疾病診斷中有著廣闊的應用前景。

JunjieQin, Xueqiang Li, Lixin Cao, et al. Competition-Based Universal PhotonicCrystal Biosensors by Using Antibody–Antigen Interaction, J. Am. Chem.Soc., 2019. doi：10.1021/jacs.9b11116

8. 韓國科學技術院JACS: 有意思！光響應，形狀可切換的嵌段共聚物顆粒

韓國科學技術院BumjoonJ. Kim課題組開發了一種用於製備光響應性嵌段共聚物（BCP）顆粒的策略，其中可以以高空間和時間分辨率主動控制形狀和顏色。實現BCP顆粒的光響應形狀轉變的關鍵是設計和合成含有光活性基團（即硝基苄基酯和香豆素酯）的表面活性劑，其響應於特定的光調節表面活性劑的兩親性和界面活性。波長。這些光誘導的表面活性劑結構的變化改變了BCP顆粒的表面和潤溼性質，提供了顆粒的形狀和形態轉變。

BCP顆粒的波長選擇性形狀轉化可以用兩種光活性表面活性劑的混合物實現，所述兩種光活性表面活性劑響應不同波長的光（即254和420 nm）。通過使用發光的光響應性表面活性劑，進一步證明了光誘導的顏色和形狀變化。最後，為了證明BCP粒子在微觀分辨率的圖案化特徵中的光觸發形狀控制的潛力，形狀可切換的BCP粒子成功地集成到圖案化，獨立的水凝膠膜中，其可以用作便攜式，高分辨率顯示屏。

Light-Responsive,Shape-Switchable Block Copolymer Particles, J. Am. Chem. Soc, 2019. doi：10.1021/jacs.9b07755

9. JACS：響應刺激的的五肽納米纖維水凝膠用於組織工程

超分子多肽組裝物可用於構建功能水凝膠生物材料，它也是神經組織工程研究的熱點。美國弗吉尼亞大學Kyle J. Lampe教授

透射電鏡和低溫電鏡顯示，這些纖維呈獨特的扭曲帶狀，直徑約為幾十納米，週期性則與澱粉樣纖維相似。這種可注射給藥(RAPID)的五肽水凝膠可以和少突膠質祖細胞(OPCs)產生細胞相容性地封裝，支持它們的增殖和三維擴展。此外，RAPID凝膠也可以保護OPCs的膜不被破壞，不會出現急性的存活率下降，這也證明了該水凝膠可以作為移植治療中的細胞載體。

Tang,J.D., Lampe, K.J. et al. A stimuli-responsive, pentapeptide, nanofiber hydrogelfor tissue engineering. Journal of the American Chemical Society, 2019.

DOI:10.1021/jacs.8b13363

10. JACS：用合成性水凝膠模擬活性生物聚合物網絡

在生物系統中，由內應力產生的硬化過程是非常重要的，這也是許多生物力學過程的基礎。例如，細胞會通過拉伸膠原蛋白和纖維蛋白纖維使周圍的基質變硬。在亞細胞水平上，分子馬達會促進流化並通過向相反方向滑動極性肌動蛋白絲來主動強化細胞骨架。Fernández-Castaño等人表明纖維矩陣與熱響應的半彈性聚合物聚(N-isopropylacrylamide)(PNIPAM) 進行化學交聯後會通過線團-球體轉變產生內部壓力導致宏觀硬化。PNIPAM坍縮所產生的力足以在幾分鐘內將流體材料驅入堅硬的凝膠中。這一概念為合理設計在體溫下迅速硬化、在機械和結構上與細胞和組織類似的水凝膠材料提供了新的策略。

Fernández-Castaño Romera,M., Göstl, R. et al. Mimicking Active Biopolymer Networks with a SyntheticHydrogel. Journal of the American Chemical Society, 2019.

DOI:10.1021/jacs.8b10659

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