DOI:10.1021/acsnano.9b09610
天然蛋白質穿越復雜的自由能景觀，組裝成分層組織結構，通常通過刺激導向的動力學途徑來響應相關的生物線索。受生物啟發的策略試圖用合成類似物模擬這些自然過程中表現出的復雜性、動態性和模塊性。但是，這些努力受到許多因素的限制，這些因素使合成結構的合理設計和可預測組裝復雜化，尤其是在水性環境中。本文中，描述了一種模型盤狀兩親性凝膠劑，當其暴露于pH刺激的不同應用速率時，會經歷依賴于途徑的結構性成熟，并通過電子顯微鏡、光譜學和X射線散射技術進行了研究。在緩慢變化的pH刺激的指導下，形成了復雜的分層組裝，其特征是中尺度拉長狀“超結構”束嵌入在窄納米纖維的滲濾網格中。相比之下，在快速施加pH刺激下的組裝具有均質結構的特性，除了體積顯著減小和隨之而來的整體流變性能大幅增加外，使人聯想到由更深思熟慮的路徑所產生的超結構。該合成系統與天然結構（例如膠原蛋白）所觀察到的途徑復雜性和層次有序性相似，并指出了可用于增強控制超分子跨長度尺度自組裝特性的基本設計原則。
圖1.BTA-（bE）3單體的化學結構和設計原理，以及通過分子間核酰胺氫鍵和平面芳烴核之間的相互作用而形成手性堆棧的自組裝基序。
圖2.在BTA-（bE）3體系中，導致一系列宏觀和納米級材料特征的樣品pH值變化的動力學操作。（a）在使用HCl（黑色）或GdL（紅色）處理的情況下，監測BTA-（bE）3樣品pH值隨時間的變化。（b）HCL觸發樣品生長最早期的TEM(左)，顯示出粗大的分枝狀纖維納米形貌以及1 h后的SEM（右）顯示出由粗大曲折的纖維束組成的密集網絡。插圖顯示了每次樣品的宏觀特征。（c）TEM（左，中）顯示在GdL觸發組裝后0.5和24 h的納米級形態，分別具有薄的一維纖維堆棧和插入的纖維束；SEM（右）顯示GdL中生長72 h后的最終網絡拓撲結構，表明與類似于24 h觀察到的細網格并存的大量桿狀組件。插圖顯示了每次樣品的宏觀特征。（d）1 h HCl、72 h GdL和24 h GdL樣品的振蕩頻率掃描，表明與24 h時間相比，最終GdL樣品的儲能模量（G'）顯著增加，并且測得1 h HCl樣品的模量更高。（e）對72 h GdL介導的和1 h HCl介導的水凝膠進行分步應變評估，證明兩種情況下機械擾動后的自愈能力。（f）對于1 h HCl、72 h GdL和24 h GdL樣品，復數粘度與角頻率的測量結果表明，兩種凝膠體系的粘度隨施加的剪切力的增加而降低。
圖3.施加GdL刺激后，隨著時間的推移，BTA-（bE）3的近紫外圓二色性（CD）光譜。突出顯示的信號（插圖）在將近12 h達到最大強度，隨后在大約60 h的樣品成熟過程中信號逐漸降低。當樣品在最后兩個時間點從透明轉變為不透明時，長波CD波段經歷了約13 nm的紅移，而短波波段在整個透明凝膠成熟過程中經歷了共4 nm的逐漸紫移。過渡到不透明的最終狀態時，會有9 nm的大位移。虛線顯示添加HCl后24 h的樣品CD光譜。
圖4.使用GdL后72 h出現的分層組織材料的顯微鏡證據，該材料由包裹在較小納米纖絲網中的大型超結構組成。（a）塊體水凝膠的螺旋狀納米纖維性質的SEM，以及（b）高度對齊、光滑桿狀超結構與塊體納米纖維網共存。（c，d）SEM發現，在樣品制備過程中，這些超結構跨越了水凝膠的分段碎片，表明了它們作為基礎支撐框架的作用。（e）TEM為網絡化的納米纖維大規模排列成高度捆綁的超結構提供了證據，據推測這是觀察到的嵌入纖維網絡中的（f，g）大型桿狀物體的起源。（h）對于72 h GdL的樣品，POM具有適度的雙折射特性，提供了貫穿整個水凝膠的徑向紡錘狀結構的證據，這些結構可能是由SEM/TEM中的桿狀超結構組成。
圖5.（a）HCl刺激后24和1 h以及GdL刺激后72、24和1 h制備的水凝膠的SAXS-WAXS數據，并標有相關的布拉格峰。還顯示了排列在（b）六邊形柱狀晶格和（c）三螺旋束中的自組裝BTA-（bE）3分子的擬議填充物結構的橫截面，以及填充物類型的確定晶格參數和擬議尺寸。
圖6.（a）在pH 4.5 TBS中制備的稀釋1.04 mM BTA-（bE）3溶液的圓二色性冷卻曲線，其溫度范圍為278至372K。（b）在樣品冷卻過程中，監測320 nm CD波段峰強度對溫度的影響被轉化為BTA-（bE）3分子的聚集，表示為穩定狀態下自組裝單體完全飽和的一部分。在所測量的1.04、0.62和0.25 mM稀釋液中320 nm峰的急劇出現表明了協同組裝過程。
圖7.在快速（HCl）和慢速（GdL）動力學條件下，BTA-（bE）3自組裝的擬議機制。在快速途徑中，質子化單體通過氫鍵發生橫向締合，同時單體通過核心酰胺氫鍵軸向堆積，從而在橫向和軸向形成短的低聚物。這些低聚物將它們自己排列成蜂窩狀晶格排列，其幾何結構允許單體外圍的C3對稱H鍵以及最佳的軸向堆積模式。這一過程很快產生了具有六邊形柱狀填充物的晶體纖維，其長徑比相對較高，但寬約為10個分子。相反，緩慢的GdL途徑通過成核-延伸進行，在該途徑中，手性堆棧一旦達到預核臨界聚集狀態就會生長，并且會進一步與類似的螺旋結合形成高階三重或多螺旋束。最終，慢催化途徑表現出與快速途徑相同的六邊形柱狀填充物結構，盡管寬度尺寸大于一個數量級，結晶度和規則性更高，并且由于這些六邊形柱狀超結構與其余的螺旋納米纖維束共存，所得到的材料具有不同的力學性能。這種結構共存是由不完整的轉換產生的，由最終螺旋GdL途徑箭頭中的星號表示，從多螺旋束態到多晶纖維填充物。
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