四臂聚乙二醇水凝胶登上《Nature Materials》！

宇宙大尺度结构、动物群和生物组织可以被认为是由耗散过程产生的非平衡有组织系统。在人工系统中复制这些特性仍然是困难的。在这里，我们报告了在稀释的聚合物-水混合物中形成耗散网络的过程，导致了渗透诱导的凝胶-凝胶相分离。在渗透阈值处形成单相结构的稀释体系在凝胶反应完成后的脱溶过程中自发分离成具有亚毫米级(稀释渗透凝胶)的两个共连续凝胶相。稀释过滤凝胶含有99% 的水，表现出意想不到的疏水性，并诱导皮下组织中脂肪样组织的发育。这些发现支持具有先进功能的耗散结构的发展，用于不同的应用，从物理化学到组织工程。

动态生命系统中的液-液相分离产生无膜有组织结构，如核仁、应力颗粒和 Cajal 体1。液-液相分离是生命科学中一个新兴的挑战，它与包括白内障和神经退行性疾病在内的多种疾病的发展有关。由于大分子的存在，相分离在生物体系中被广泛地观察到。由于大分子摩尔质量，混合熵取决于分子数量，因此大分子比小分子更不利于混合。使用临界溶液温度(LCST)较低的单体进行聚合可以诱导相分离。聚 N- 异丙基丙烯酰胺在比 LCST4稍高的恒定温度下聚合，在水中发生相分离。最初，反应混合物是透明的，因为单体与水混溶。随着反应的进行，摩尔质量超过一个临界值，LCST 出现，然后随着摩尔质量的增加而减小。当 LCST 低于反应温度时，发生微相分离。通过引入交联剂形成相分离凝胶可以阻止微相分离。这种相分离凝胶是由显示 LCST 的聚合物制备的。

水凝胶是通过耦合相互反应的四功能PEG前体合成的，将PEG浓度（c）保持在25°C的约10-90 g l-1（补充图。1).这种AB型分子设计抑制分子内反应，包括自咬环，同时促进分子间反应形成聚合物网络10。这些特征可以实现形成凝胶（~95%）的高反应转换，即使在c（~5 g l-1）11的最低极限。这种设计形成的凝胶被称为tet-PEG凝胶12-14，其均匀性使用几种技术15-17进行调查。目前，膨胀显微镜使用这项技术，通过使用四凝胶均匀扩展物体来实现9.2纳米空间误差的高分辨率。

PEG前体与超过c（~300 g l-1）的浸入范围的水混入。此外，在重叠浓度上方形成了透明凝胶，c* ≈ 60 g l-1（图1和2a以及补品图。2).在这里，c*是水合PEG前体结构域吞噬整个系统的浓度19。这些结果与之前的结果一致，即PEG-水二元系统的LCST高于水的沸点（~130 °C）20；因此PEG是亲水性的。然而，当PEG浓度在25°C时下降到c*以下时，凝胶溶液会变得浑浊（图1和2a）。这种行为与关于在溶质浓度高于特定值时发生的相分离的传统想法相矛盾3。为了解释这种行为，检查了分别在c = 10和60 g l-1处形成的两种代表性凝胶（稀释透光和c*凝胶）。当前体渗透并形成聚合物网络时，稀释渗透凝胶在凝胶点后变得更加浑浊（图1和2a）。尽管多云，但稀释过滤凝胶此时在亚毫米范围内没有明显的形态（图2b）

当凝胶从模具中取出并浸入水中时，凝胶达到由渗透压和弹性压力之间的平衡决定的平衡，这两种压力分别促进膨胀和膨胀14。大多数凝胶像 c * gel21一样膨胀，因为它们的渗透压超过弹性压力，在稀渗凝胶中观察到的膨胀是不正常的。有趣的是，稀释过滤后的凝胶直到从霉菌中去除才会脱落。模具的吸附抑制了自由边缘的收缩，因为凝胶以各向同性方式收缩和膨胀22。因此，凝胶化和消肿过程是独立发生的。我们观察到在水中平衡消肿/膨胀一周后，稀释过滤和 c * 凝胶的中尺度结构。聚合物骨架末端基团经 Alexa Fluor 488部分修饰后呈阳性染色可视化。亚毫米级丝状网络结构仅在稀释渗透凝胶中生长(图2d，顶部) ，并通过其三维结构(图1和补充视频1和2)突出显示。胶凝需要一天(补充图3) ，没有特定的结构(图2b，左上角和补充视频3和4)。因此，形态变化是通过比化学反应(大约一天)缩短更长的时间尺度(大约一周)来诱导的。

我们进行了时间分辨小角度 X 射线散射(SAXS)实验，以阐明在稀渗凝胶和 c * 凝胶凝胶过程中的结构变化(图3a，b)。散射强度(I)被聚合物浓度(I/c)极化，并显示为散射矢量大小(q)的函数。最初，对于时间 t 除以凝胶点 tg 的时间 t/tg < 1，c * 和稀释渗透凝胶的散射分布在小 q 时符合平台，随后在大 q 时交叉到分形关系 I ≥ q-2。分形关系起源于质量分形维数为 D = 2(参考文献2)的 PEG 前体的内在相关性。16).当反应接近凝胶点 t/tg ≈1时，分形区域扩展到相当低的 q 值，表明聚合物团簇的生长。然而，在 c * 和稀释渗透凝胶中，分形维数仍然是 D = 2，排除了降水是云的起源的可能性。沉淀偶尔会与凝胶竞争，产生清晰的聚合物-溶剂界面，诱导出显著的分形关系，I ≤ q-4(参考文献。28,29).凝胶点(t/tg > 1)后，c * 和稀渗凝胶之间存在显著差异。C * 凝胶的散射分布在凝胶过程中略有变化(图3b) ，表明 PEG 前体之间的键形成对 PEG 单元的空间排列影响不大。C > c * 处的分子表示澄清了这一观察结果(图1; 底部)30。随着前驱体浓度的增加，凝胶点前后的散射分布完全重叠(c ≈2c * ;。30).

水凝胶的生物反应生命系统中的细胞外间质在不透明度和中尺度结构方面类似于稀释过滤凝胶。为了证明，平衡肿胀状态下的盘状水凝胶被植入大鼠皮下，并且在14天内研究了与凝胶的生物学反应的差异(图4)。我们首先通过对荧光标记的水凝胶进行体内成像来评估降解(图4a)。只有稀释过滤凝胶显示荧光信号总体上逐渐衰减，通过分析相对于第0天信号的辐射效率进行量化(图4b)。稀释过滤凝胶的相对荧光在第14天达到大约50% ，而 c * 凝胶的减少是微妙的。这些结果表明，这两种凝胶的某些生物学反应是不同的。使用稀释过滤凝胶的大鼠的总体发现进一步突出了生物学反应; 稀释过滤凝胶与活组织的界面连接(图4c，补充图8a 和补充视频7)。这对于稀释透光凝胶来说是独一无二的，但对于c*凝胶来说不是（补充视频8）。我们进一步阐明了通过马森三色染色、血氧基林染色和免疫染色对水凝胶降解和随后的组织替代的生物反应（图4d，e和补充图8b和9）。染色表明，在最初存在稀释渗滤凝胶的区域，脂肪样组织丰富，而稀释渗滤凝胶在第14天仍停留在有限的区域（图4d和补充图8b）。

以下方面使完全理解GGPS具有挑战性：（1）特征结构的大小从10纳米到105纳米不等，（2）结构形成所需的时间各不相同，凝胶需要不到一个小时，完成凝胶反应大约一天，形成丝状结构需要一周。揭开这种涵盖广泛长度和时间尺度的现象是一项艰巨的任务。尽管存在这些障碍，但我们的发现表明了范式转变，表明渗流过程可以极大地改变凝胶的物理特性，以前人们认为凝胶仅由其化学结构决定。这项研究探索了PEG-水二元系统中的GGPS，这可能会激发讨论和进步，特别是在物质科学、软物质物理学和生物学方面。

原文：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01712-z