《Science》埃因霍温科技大学：超分子凝胶-溶胶-凝胶-溶胶！

【稀释诱导排序】

许多分子，例如表面活性剂，在置于溶液中时可以形成有序结构。通常，随着浓度的增加，系统变得更加有序，结构从球形变为细长形状。Su 等人研究了苯-1,3,5-三甲酰胺 (BTA-EG4) 与阳离子表面活性剂辛基三甲基溴化铵 (OTAB) 在水中的体系（参见 Webber 的观点）。BTA-EG4在水中发生超分子聚合，在较高浓度下会形成水凝胶，而OTAB会形成小聚集体。然而，当组合时，OTAB 最初会破坏 BTA-EG4 水凝胶，但这些可以在稀释后重新建立，因为这会降低表面活性剂的作用。通过精心设计，这可以扩展到凝胶-溶胶-凝胶-溶胶系统作为浓度的函数。

【摘要】

令人着迷的特性由合成的多组分超分子系统展示，该系统包含多种竞争性相互作用，从而模仿自然过程。 埃因霍温科技大学 E. W. Meijer教授 团队基于使用超分子聚合物和表面活性剂的意外稀释诱导组装过程提出了两个重入相变的整合。水溶性苯-1,3,5-三甲酰胺 (BTA-EG4) 和表面活性剂以特定比例的共组装产生了小尺寸的聚集体。这些交互是使用两个组件的自分类和共同组装之间的竞争来建模的。通过在水中两倍稀释而不改变它们的比例，将小尺寸聚集体转化为超分子聚合物网络。动力学实验表明在稀释过程中微米长纤维的原位生长。通过引入另一种正交相互作用，我们能够创建在稀释时经历完全可逆的水凝胶-溶液-水凝胶-溶液转变的系统。

【图文导读】

首次实现稀释作用引起的凝胶-溶胶-凝胶-溶胶多重转变过程！

超分子水凝胶具有优异的动态响应性，即通过外部刺激可控制三维网络的形成与解离，实现由宏观静态的凝胶转变为具有流动态的溶胶状态，因此在生物医疗、食品、化妆等领域具有广泛应用。超分子水凝胶可以在水中由弱相互作用的分子形成，当分子浓度或环境温度发生变化时可以恢复到流动的液体悬浮液状态，即溶胶。这种行为被称为 重入相变（Reentrant phase transitions，RPT）。凝胶到溶胶的相变通常由分子的浓度降低引起，这是因为浓度越低链的缠结越少，而浓度越高链的缠结越多。然而，若要实现稀释诱导溶胶向凝胶的转变似乎“有悖常理”。液-液相分离通常伴随着重入相变 (RPT) 的发生，这在这些多组分系统中引起了令人着迷的现象。在此，温度的变化和/或其中一种成分的添加会导致原始阶段的重现。最近发现这种现象在细胞内无膜细胞器的形成中起关键作用，这些细胞器主要是基于液-液相分离的系统。Jacobs 和 Frenkel 提出了关于热力学平衡下具有许多组分的分子系统中相变的更广泛观点。他们的声明——只需要对分子间相互作用的强度进行微小的调整来调节具有特定组成的不同结构域的形成——与该团队目前的研究相关。

【超分子系统的结构及溶胶-凝胶转变特性】

作者通过表面活性剂和超分子单体来构建水性合成超分子系统。具体而言， 首先在一定浓度下BTA-EG4可通过疏水以及氢键等相互作用聚合形成长度为微米级的超分子聚合物，由于超分子聚合物的链缠结进而形成BTA-EG4超分子水凝胶单体（图1A）。若向该凝胶体系中加入一定量的表面活性剂OTAB，OTAB的疏水链段会插入BTA-EG 4聚合物中，两者共组装形成球形纳米聚集体，破坏水凝胶的三维网络结构，形成BTA-EG 4/OTAB溶胶（图 1B）。然而，当继续向体系中加水稀释时，整体浓度下降，因此时OTAB会从共组装体系中释放出来，BTA-EG4之间的氢键以及疏水相互作用重新驱动形成微米级的超分子聚合物三维网络，凝胶形成。通过增加浓度，该过程是完全可逆的。作者利用该现象开发出了超分子单元稀释后的两个集成RPT相结合的超分子系统（凝胶-溶胶-凝胶-溶胶）（图 1C）。

图1. 在水中，稀释诱导的凝胶化过程 。(A) 超分子成分及其在水中的单独组装。(B) BTA-EG4/OTAB 系统中稀释诱导凝胶化的低温 TEM 图像。左图：BTA-EG4（4 wt%，31 mM）和 OTAB（6.5 eq.，202 mM）的溶液显示出直径为 5 至 8 nm 的小聚集体，表明存在胶束 BTA-EG4/OTAB 复合物。右图：用 MQ-H2O 双重稀释后生成的 BTA-EG4（2 wt%）和 OTAB（101 mM）的透明水凝胶显示了缠结的 BTA-EG4 纤维网络。比例尺，50 nm。(C) 通过水中竞争性超分子途径稀释诱导的凝胶-溶胶-凝胶-溶胶转变的两种策略。

凝胶-溶胶相转变过程

超分子聚合物主要基序BTA-EG4是一种盘状分子，它易于在水中堆积成细长的纳米级细丝，这些细丝可以缠结形成凝胶。然而，当这种超分子基序与表面活性剂结合时，表面活性剂会破坏分子链的堆积，使超分子丝的形成受到抑制。 作者通过实验证实了在稀释前的初始系统中所有表面活性剂都整合在聚合物中（图 2B）。 当更多的表面活性剂被加入时，实验结果表明纤维发生了破裂，同时小BTA聚集体逐渐形成（图 2C）。 这种转变取决于总浓度以及两种成分的比例（图 2D），在BTA浓度较低时需要更多的表面活性剂。 聚合物与表面活性剂的饱和使结构不稳定并在高浓度表面活性剂下破坏纤维，这很可能是由于形成的结构中的静电和/或几何约束的结果（图 2E）。

图2. BTA-EG4和CTAB在水中的相互作用和稀释诱导组装。 （A 到 C）1H NMR 光谱（400 MHz，D2O；对应于 BTA 和 CTAB 的峰分别位于蓝色和黄色区域）（A），低温 TEM 图像（比例尺，100 nm）（B）和 UV在 0、1、2 和 3 eq 存在下 BTA-EG4 (250 μM) 的可见光谱 (C)。CTAB，分别。(D) BTA-EG4/CTAB 聚合物的实验分数曲线，通过对 227 nm 处的 UV 吸光度进行归一化获得。BTA-EG4 的浓度保持不变（分别为 500、400、250 或 100 μM），而 CTAB 的含量则不同。(E) 合作、竞争途径的热力学模型，M、P、S 和 Mic 分别代表 BTA-EG4 单体、BTA-EG4 聚合物、游离表面活性剂和表面活性剂胶束，Ki 和 σi 分别代表平衡常数和协同性过程 i 的参数。(F) P/S 和 M/S 与 1 eq 的模拟分数曲线。（模型 1）和 2 eq。（模型 2）[CTAB]/[BTA-EG4] 调节，其中 BTA-EG4 的浓度保持恒定（250 μM），而表面活性剂含量变化。(G 和 H) [BTA-EG4]/[CTAB] 的 1H NMR 光谱 (400 MHz, D2O; 对应于 BTA 和 CTAB 的峰分别位于蓝色和黄色区域) (G) 和紫外可见光谱 (H) (1/3) 稀释后，[BTA-EG4] 初始 = 250 μM。为清楚起见，去除了所有 UV-vis 光谱中的 CTAB 吸收。

稀释作用诱导的凝胶-溶胶-凝胶-溶胶相转变

作者通过筛选一系列表面活性剂，发现稀释诱导的超分子聚合具有一定的普适性。作者通过引入另一种超分子作用，实现了稀释作用诱导下凝胶-溶胶-凝胶-溶胶的多重转变。作者通过两种途径实现了该多重转变。路线一，将小分子表面活性剂替换为含有脂肪链的聚乙二醇（OPEG 图1A）；路线二，向BTA-EG 4/OTAB共组装体系中引入具有不同成胶浓度窗口的多重氢键UPy-EG 11正交超分子单体（图 1A）。路径一如图 3A所示，在一定浓度下，BTA-EG 4与OPEG共组装形成球形纳米聚集体，高浓度下纳米聚集体会进一步聚集形成三维网络结构凝胶；当向体系中加水时，浓度下降，三维网络解离，凝胶转变为溶胶；当继续加水稀释，此时BTA-EG 4之间的氢键和疏水作用占据主导地位，造成稀释引发超分子聚合形成超分子聚合物，进一步缠结形成聚合物三维网络，体系由溶胶转变为凝胶；当继续加水稀释，三维网络浓度降低，凝胶继续转变为溶胶，实现了稀释诱导的凝胶-溶胶-凝胶-溶胶的连续多重转变。路径二如图3B所示，首先在一定浓度和比例下，由于多重氢键作用UPy-EG 11在多组分体系中自分类组装形成纳米捆状纤维，BTA-EG 4/OTAB共组装形成球状纳米聚集体，浓度较高时，纳米捆状纤维形成三维网络结构水凝胶；当加水稀释时，此时三维网络浓度降低，凝胶转变为溶胶；当继续加水稀释到一定浓度时触发BTA-EG 4分子进行超分子聚合，聚合物与 UPy-EG 11捆状纤维形成正交互穿三维网络水凝胶；当继续加水稀释时，三维网络浓度降低，凝胶再次转变为溶胶。同样实现了稀释诱导的凝胶-溶胶-凝胶-溶胶的连续转变。最后，作者利用全内反射荧光显微镜技术（TIRF）对稀释过程中溶液实时状态进行跟踪，原位观察到稀释诱导的液-液相分离，超分子聚合物的生长、融合及凝胶化（图4）。

图3. 分别使用双组分(BTA-EG4/OPEG)或三组分(BTA-EG4/UPy-EG11/OTAB)系统在水中稀释诱导的凝胶-溶胶-凝胶-溶胶转变。 (A) BTA-EG4/OPEG 系统的凝胶-溶胶-凝胶-溶胶转变的冷冻 TEM 图像和示意图，其宏观图像和分子水平插图作为上下插图。(B) BTA-EG4/UPy-EG11/OTAB 系统的凝胶-溶胶-凝胶-溶胶转变示意图，如 (A) 所示。(C 和 F) 复数粘度点 (ω = 1 rad/s, 1% 应变, 20°C) 对应于 BTA-EG4/OPEG 系统 (C) 和 BTA- EG4/UPy-EG11/OTAB 系统 (F)，虚线通过三次样条曲线拟合。(D 和 G) BTA-EG4/OPEG 系统 (D) 的频率相关振荡流变学 (1% 应变, 20°C)，表明Gel 1 ([BTA-EG4] = 80 mM) 的网络比Gel 2 ([BTA-EG4] = 27 mM) 和 BTA-EG4/UPy-EG11/OTAB 系统 (G)，表明 Gel 1' ([BTA-EG4] = 93 mM) 具有比 Gel 2' 更强的网络([BTA-EG4] = 15.5 mM)。（E 和 H）在 BTA-EG4/OPEG 系统的Gel 1（E ) 和 BTA-EG4/UPy-EG11/OTAB 系统 (H) 的Gel 1'。

图4. 稀释后纤维的动力学原位形成。 （A 到 C）随着时间的推移将 BTA-EG4/CTAB 液滴添加到 PBS 胶片中后，来自电影 S1 和 S2 的 TIRFM 图像。使用 1% BTA-生物素，液滴及时粘附在表面上，几分钟后形成纤维。绿色荧光是 5% BTA-Cy3 的结果；强度越高，BTA的浓度越高。液滴尺寸的增加是由于液滴对表面的附着力增加所致。纤维长度的增加是稀释诱导的自组装/聚合的结果，聚集体从密集的液滴扩散到连续的水膜。(D) 电影 S3 和 S4 中由于浓度梯度引起的纤维收缩（白色箭头）和连接（黄色箭头）的快照。

【总结】

该工作利用超分子聚合物和表面活性剂的稀释诱导组装过程，实现了两个重入相变的整合。水溶性苯-1,3,5-三甲酰胺 (BTA-EG 4) 和表面活性剂以特定比例的共组装产生了小尺寸的聚集体。两者的相互作用是通过两个组件的自分类和共同组装之间的竞争来实现的。作者通过在水中两倍稀释而不改变它们的比例，将小尺寸聚集体转化为超分子聚合物网络。动力学实验证实了在稀释过程中微米长纤维的原位生长。通过引入另一种正交相互作用，作者创建了在稀释过程中可经历完全可逆的水凝胶-溶液-水凝胶-溶液转变的系统。

相关论文以题为“Dilution-induced gel-sol-gel-sol transitions by competitive supramolecular pathways in water”的发表在《 Science 》 期刊上。通讯作者是埃因霍温科技大学E. W. Meijer教授。共同第一作者 分别是复旦大学 高分子系2014届博士毕业生苏璐博士 （ 师从江明院士、陈国颂教授 ）与 Jesús Mosquera博士 。

参考文献：DOI: 10.1126/science.abn3438

来源：高分子科学前沿

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