浙江
蛋白质凝胶因其优异的生物相容性、可降解性及可持续性，在组织工程、柔性电子和软机器人领域备受关注。然而，传统蛋白质凝胶通常由松散的单交联网络构成，导致其机械性能薄弱——表现为低强度、低刚度和低韧性，难以满足复杂负载场景的需求。此外，环境稳定性（如抗冻性）、抗断裂性和粘附性等性能的缺失，进一步限制了其实际应用。
燕山大学焦体峰教授、秦志辉副教授和加州大学洛杉矶分校贺曦敏教授合作开发出了一种全降解的高性能蛋白质凝胶。该凝胶以深共晶溶剂（DES）为分散介质，通过调控DES中的氢键供体（HBD），同步增强了蛋白质链间作用力及蛋白质链-溶剂交联，实现了突破性力学性能：拉伸强度达 10.25 ± 1.28 MPa ，断裂伸长率 892.51 ± 39.66 % ，韧性 17.34 ± 0.46 MJ m − 3 ，同时兼具粘附性、可回收性和全降解特性。相关成果发表于《Advanced Materials》。
技术突破与核心发现
研究团队开创性地采用溶剂置换法（图1），将明胶水凝胶浸入深共晶溶剂（如氯化胆碱-甘油），构建出兼具高强度与高弹性的"明胶共晶凝胶"。通过调控DES中氢键供体（HBD）的多羟基结构（如甘油、木糖醇、山梨醇），溶剂分子不仅强化了蛋白质链间作用，更作为"分子桥"形成密集非共价交联网络（图1a）。所得凝胶展现出卓越的透明度与承载能力——仅0.65mm厚的样品可提举自身重量1500倍的物体（图1b-c）。
图1.蛋白质凝胶（明胶共晶凝胶）的制备与非共价相互作用机制。
结构表征揭示了性能强化的分子机制（图2）：EDS图谱显示DES组分（如氯元素）均匀嵌入蛋白质网络（图2a）；FT-IR光谱中酰胺I带蓝移（1635→1647 cm⁻¹）和酰胺II带红移（1556→1548 cm⁻¹）证实链间作用增强（图2b）。关键突破在于HBD羟基数量的调控效应——当HBD从二羟基乙二醇升级至六羟基山梨醇时，氢键交联密度显著提升，凝胶网络更趋致密（图2g-h）。
图2.明胶共晶凝胶的表征分析。
这种可设计的交联网络带来超常机械性能（图3）：明胶含量增至20wt%时，拉伸强度跃升7.7倍（10.25 MPa），模量增长223倍（24.57 MPa）；而采用山梨醇基DES的凝胶韧性达15.51 MJ/m³，较乙二醇体系提升14倍。循环拉伸实验证实了结构的可逆性——经历10次50%应变后应力保留率仍达94.38%（图3e-f）。
图3.明胶共晶凝胶的可调节机械性能。
凝胶的抗断裂性能尤为突出（图4）：含1mm缺口的样品可拉伸至404%应变而无裂纹扩展（图4c），断裂能高达6.46 kJ/m²（传统明胶仅1.65 J/m²）。缺口试样经历100次100%应变循环后仍无应力衰减（图4f-g），凸显其工程应用潜力。
图4.明胶共晶凝胶的抗裂纹扩展能力与抗疲劳性。
多功能集成是另一亮点（图5）：凝胶对PET、玻璃、铜等基材的粘附强度达17-93 kPa，且可重复使用10次；在-40℃极寒环境下仍保持535%伸长率，常温放置30天性能无衰减；加热溶解后重塑三次力学保留80%，水中72小时降解率94.78%，完美平衡强度与可持续性。
图5.明胶共晶凝胶的粘附性能与可回收性能 。
应用验证中（图6），甘油基凝胶电极成功捕获高精度心电信号（PQRST波形清晰），媲美商用Ag/AgCl电极；而山梨醇基凝胶作为软着陆器"肌腱"，更成功吸收100g物体18cm自由落体冲击，传统明胶水凝胶则完全失效。
图6.明胶共晶凝胶的应用演示。
未来展望
该研究通过DES溶剂工程攻克了蛋白质凝胶的力学瓶颈，首次实现强度、韧性、功能性一体化。此类可定制化凝胶有望推动人工组织、环保软机器人和瞬态电子技术的革新。这项工作为蛋白质凝胶在需要定制机械性能的技术中集成铺平了道路。
来源：高分子科学前沿
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