受到虫皮启发！大连理工大学《自然·通讯》：仿生超强抗冲击水凝胶

在军事防护、航空航天、交通运输和生物医学工程等领域，兼具柔韧性和抗冲击性能的材料至关重要。然而，在软体机器人驱动器、个人防护装备或精密生物医学植入物等应用中，设计能够同时满足强度、能量耗散和接触柔顺性要求的材料，始终是一项重大挑战（图1a）。尽管自然界中不乏刚性防护（如甲虫鞘翅）或动态打击（如螳螂虾锤状附肢）的范例，但如何在单一材料中实现柔性变形与高效吸能的协同，仍是材料科学领域的难题。

大连理工大学刘田教授课题组揭示了亚洲玉米螟（Ostrinia furnacalis）幼虫表皮中两种关键结构蛋白——FCSP-1和FCSP-2——通过液-液相分离形成富含β-折叠的粘弹性基质，填充于几丁质骨架中，赋予表皮卓越的柔性抗冲击性能。基于此机制仿生制备的几丁质-蛋白复合水凝胶，其能量耗散能力达到8 MJ/m³，且机械性能可通过体外磷酸化精准调控，在保护脆弱物体方面展现出巨大潜力。相关论文以“A natural solution from caterpillar cuticles for flexible impact-resistant materials”为题，发表在Nature Communications上。

虫皮中的力学密码：蛋白质不可或缺

新鲜解剖的玉米螟幼虫表皮由约84%的水分、9%的几丁质、5%的蛋白质和2%的色素组成（图1b）。其韧性达到0.62 MJ/m³（图1c）。扫描电镜显示其内部具有片层结构（图1d）。蛋白质去除后，表皮韧性下降47%，片层结构消失（图1c-d）。

氢键网络：耗能与恢复的核心

加载-恢复实验显示，天然表皮拉伸后在50%相对湿度下恢复120分钟后最大应力恢复40%，而去蛋白表皮恢复显著更快（图1e）。在水中恢复比在空气中更慢，在20%乙醇中恢复比在水中更快（图1e）。这表明FCSP介导的氢键网络是表皮中高效能量耗散的原因（图1f）。

图1. 柔性表皮结构蛋白（FCSPs）调节表皮的功能与力学性能。(a) 示意图显示亚洲玉米螟（Ostrinia furnacalis）表皮作为强大的柔性抗冲击材料。(b) 通过生化方法测定的表皮组成。(c) 天然表皮与去蛋白表皮的单轴拉伸试验。插图：表皮韧性比较。数据以均值±SD（n=10个独立样本）表示。p=0.0001。采用双尾t检验进行组间比较。(d) 天然表皮与去蛋白表皮的示意图及横截面扫描电镜图像。比例尺如图所示。(e) 根据恢复应力-应变曲线，不同处理条件下表皮的变形恢复动力学。线条为拟合数据，速率常数k根据拟合曲线确定。NC，在PBS中恢复的天然表皮。DC，在PBS中恢复的去蛋白表皮。AIR，在50%相对湿度（RH）下恢复的天然表皮。误差棒对应标准差（n=10）。误差棒的中心度量表示平均值。(f) 氢键（HBs）在表皮中重要作用的示意图。

两种蛋白的协同凝聚：FCSP-1与FCSP-2

蛋白质组学分析从110种FCSP中鉴定出FCSP-1和FCSP-2为原表皮中最丰富的FCSP，分别占总量的15.5%和11.3%（图2a-b）。FCSP-1含有低复杂度N端结构域和C端RR几丁质结合结构域，FCSP-2为低复杂度蛋白（图2c）。几丁质结合实验表明FCSP-1具有强结合活性，FCSP-2结合微弱（图2d）。FCSP-1在0.4 mg/mL形成凝聚物，FCSP-2在0.1 mg/mL形成凝聚物，二者以3：2生理摩尔比混合后凝聚显著增强（图2e-f）。戊二醛交联实验证实二者存在直接相互作用（图2g）。FRAP实验显示混合凝聚物粘度最高（FCSP-1 < FCSP-2 < MIX），网络更致密（图2h-j）。FTIR显示FCSP-1酰胺I带峰在1645 cm⁻¹，FCSP-2在1640 cm⁻¹，MIX在1635 cm⁻¹并伴有1625 cm⁻¹肩峰，去卷积显示MIX中β-折叠（β-晶体）含量增加（图2k）。

图2. 关键FCSPs（FCSP-1和FCSP-2）共凝聚形成粘性基质。(a) 亚洲玉米螟表皮的蛋白质组学分析（n=3）。(b) 亚洲玉米螟表皮FCSPs的组成。(c) 由(a)和(b)鉴定得到的FCSP-1和FCSP-2序列示意图。(d) 通过两种方法测定的关键FCSPs的几丁质结合活性。方法1，BCA蛋白定量法。方法2，灰度扫描法（p=0.0008）。数据以均值±SD（n=3个样本）表示。(e) 显示FCSPs及混合物（MIX）凝聚的共聚焦显微镜图像。比例尺为20 μm。(f) 不同质量比下各单一关键FCSPs及其混合物的浊度。数据以均值±SD（n=5个样本）表示。(g) FCSP-1与FCSP-2之间的戊二醛交联实验。(h) FCSPs凝聚物的激光扫描共聚焦显微镜图像及(i)荧光漂白后恢复曲线。数据以均值±SD（n=20个样本）表示。比例尺为2 μm。(j) 由(i)获得的荧光扩散系数。采用双尾t检验进行组间比较（p=0.0008和0.0409）。数据以均值±SD（n=4个凝聚物）表示。示意图显示FCSPs与MIX的流动性差异。(k) 傅里叶变换红外光谱显示FCSP-FCSP相互作用过程中的二级结构变化。

凝聚物填充几丁质骨架，修复力学性能

FCSP-1在几丁质纳米纤维表面形成凝聚物，FCSP-2不形成，MIX不仅形成凝聚物黏附于几丁质表面，还诱导凝聚物间连接形成互连网络（图3a）。QCM-D证实两种蛋白均可在几丁质表面形成粘弹性基质（图3b）。双荧光标记显示凝聚初期FCSP-1定位于外部、FCSP-2集中于核心，随时间推移融合为均匀基质（图3c），AlphaFold3共组装模型显示FCSP-1的RR结构域位于外部、NTD与FCSP-2形成核心（图3d）。ThT染色显示β-折叠均匀分布（图3e）。上述过程示意如图3f所示。将FCSP-1、FCSP-2和MIX分别加载至去蛋白表皮，0.1 mg/mL浓度下仅FCSP-1和MIX组可见凝聚物（图3g）。加载量分别为每片表皮2.6 mg、0.4 mg和4 mg。MIX加载后表皮微观结构从网状恢复为片层状（图3h），断裂应力提升18%，断裂应变提升99%，断裂能提升146%（图3i）。

FRET传感器直接验证蛋白参与应力耗散

基于FRET的张力传感器可整合入凝聚物中检测拉伸过程中的应力（图3j）。凝聚物搅拌时FRET效应显著下降，静置20分钟后荧光恢复87%。将含FRET的MIX加载至去蛋白表皮，拉伸加载时FRET信号显著降低（图3k），结合于表皮的凝聚物FRET恢复比游离凝聚物慢得多（图3l）。FTIR显示拉伸加载后β-晶体含量减少，弱β-折叠增加，恢复12小时后β-晶体含量回升至加载前水平的90%（图3m）。

图3. MIX粘性凝聚物的准原位补充促进分级结构并修复去蛋白表皮的力学性能。(a) 关键FCSPs结合α-几丁质纤维的扫描电镜图像。比例尺为5 μm。(b) 基于耗散型石英晶体微天平模拟的模量与粘度，显示FCSP-1与FCSP-2的相互作用及力学变化。(c) 双标记MIX凝聚物的荧光强度分布。插图：MIX凝聚物中FCSPs空间分布的LSCM图像。(d) AlphaFold3预测的MIX结构。(e) 融合MIX组装体中FCSPs和β-折叠空间分布的荧光强度分布。插图：LCSM图像。比例尺，500 nm。(f) 几丁质与分级MIX凝聚物的相互作用及分级组装示意图。(g) LSCM图像显示不同FCSPs与去蛋白表皮的结合活性。比例尺为10 μm。(h) 不同再加载时间下表皮横截面的扫描电镜图像及示意图。比例尺，1 μm。(i) 不同FCSPs修复后表皮的力学性能比较。数据以均值±SD（n=5个样本）表示。(j) 基于张力传感器的荧光共振能量转移示意图及(k)LSCM图像。比例尺为10 μm。(l) MIX凝聚物的准原位FRET谱。数据以均值±SD（n=5个样本）表示。(m) FTIR光谱显示拉伸与恢复过程中MIX凝聚物的二级结构变化。

分子机制：静电与π-π相互作用驱动组装

FCSP-1的NTD而非CTD与FCSP-2相互作用并促进凝聚（图4a），NTD对FCSP-2的亲和力显著高于CTD。保守肽段DP37和YF14与FCSP-2具有强亲和力（图4b）。DV36和DV18基于FCSP-2重复片段设计。生理比例混合（DP37:DV36或YF14:DV18为1：5）时相分离增强（图4c）。高温和高盐促进凝聚（图4d-e）。ζ电位显示MIXpep凝聚物电位显著低于DV18单独（图4f）。YF14与DV18混合后形成粘性凝胶，芳香族氨基酸（酪氨酸、苯丙氨酸）突变为亮氨酸后（YF14ᴸ、DV18ᴸ、MIXpepᴸ）凝胶形成被阻止（图4g）。NMR显示化学位移扰动主要发生在带电氨基酸，极性和疏水氨基酸也有变化（图4h-i）。凝聚初期YF14保持无序状态，DV18呈β-折叠（图4j）。突变对单肽凝聚影响极小，但显著削弱YF14促进DV18凝聚的能力（图4k）。FTIR显示野生型肽段凝聚物β-折叠和β-晶体含量高于突变体（图4l）。

图4. 通过保守肽段揭示相互作用机制。(a) FCSP-2与FCSP-1不同片段的浊度。数据以均值±SD（n=5个独立样本）表示。(b) FCSPs的保守肽段。(c) 不同肽段浓度下单一保守肽段及其混合物的浊度。数据以均值±SD（n=5个独立样本）表示。(d) 不同温度下单一保守肽段及其混合物的浊度。数据以均值±SD（n=5个独立样本）表示。(e) 不同盐浓度下单一保守肽段及其混合物的浊度。数据以均值±SD（n=5个独立样本）表示。(f) 不同肽段的ζ电位。数据以均值±SD（n=8个独立样本）表示。(g) 显示野生型与L-突变体凝聚物的共聚焦显微镜图像。插图：MIXpep凝聚物中的纤维与凝胶形成。比例尺，10 μm。(h) 保守肽段及其混合物的¹H-¹³C-HSQC谱。(i) 不同肽段的肽-肽相互作用强度图。红色标记表示参与相互作用的残基。(j) 不同肽段的结构倾向图。(k) 不同肽段浓度下不同L-突变体的浊度。数据以均值±SD（n=5个独立样本）表示。(l) 由FTIR光谱得到的野生型与L-突变体肽段的二级结构差异。数据以均值±SD（n=3个独立样本）表示。

分子动力学模拟揭示组装路径

FINCHES预测FCSP-1第64-101位残基与FCSP-2第21-325位残基具有显著增强的接触概率，与DP37（YF14）和DV18肽段重叠（图5a）。全原子MD显示DV18单独体系松散组装，MIXpep体系自235 ns起稳定组装（图5b）。MIXpep体系虽含更多带电残基，但表面电位更低、界面静电相互作用更强（-766.5 kJ/mol），与ζ电位和NMR一致（图5c）。SASA分析显示MIXpep体系带电残基表面积显著低于DV18体系（图5d）。基于AlphaFold3预测结构的解离模拟显示MIXpep体系ΔGtotal为-133.2 kJ/mol，MIXpepᴸ为-84.0 kJ/mol（图5e）。MIXpep体系氢键更多，β-折叠含量更高（30.4% vs 18.1%）（图5f-g）。π介导相互作用在500 ns全原子MD过程中保持完整，Pearson系数为-0.082（图5h）。由此提出YF14与DV18的共组装机制：静电相互作用促进二元凝聚物形成并降低表面电荷，随后π介导相互作用稳定凝聚物，进一步促进凝胶化和β-折叠富集结构的形成（图5i）。

图5. 保守肽段组装路径。(a) 通过FINCHES工具预测的由无序区域驱动的相互作用倾向热图。(b) MIXpep与DV在全原子MD中的相分离结构，显示表面电荷分布（n=3）。(c) MIXpep体系中肽段间的界面相互作用。紫色为YF14，黑色为DV18。希腊字母代表不同肽链。(d) MIXpep与DV体系中关键相互作用残基的溶剂可及表面积。数据以均值±SD表示（MIXpep中n=18个数据点，包含3次独立模拟，每次模拟含6条YF14肽段或DV18肽段；DV18中n=36个数据点，包含3次独立模拟，每次模拟含12条DV18肽段）。(e) MIXpep与L-突变体在解离前后的结构，显示表面亲疏水性分布（n=3）。(f) 解离过程中每帧的氢键数量（n=3）。(g) MIXpep与MIXpepL在解离过程中的二级结构百分比。数据以均值±SD（n=3次独立模拟）表示。(h) MIXpep解离过程中每帧的π介导接触数量（n=3）。(i) YF14与DV18共组装机制示意图。

仿生设计与性能突破

磷酸化影响FCSP-2的凝聚行为和凝聚物流动性，FRAP显示不同磷酸化状态下MIX凝聚物的荧光恢复可调（图6a）。含去磷酸化FCSP-2的水凝胶力学性能最弱，含磷酸化FCSP-2者居中，先磷酸化后原位去磷酸化者最佳（图6b-c）。该水凝胶强度达15.64 MPa，断裂功为8.24 MJ/m³，分别为天然表皮的3.65倍和14.31倍（图6d）。Ashby图显示其强度和断裂功超越几乎所有天然高分子物理交联水凝胶（图6e）。落球实验中FCSP-几丁质水凝胶使落球快速稳定，首次回弹回弹高度较纯几丁质水凝胶降低100%（图6f）。保护实验中，包裹于FCSP-几丁质水凝胶中的软水凝胶球在50 g重物从1 m高度落下后保持完整，而常用包装材料和几丁质水凝胶未能保护物体并表现出剧烈回弹（图6g）。

图6. 基于几丁质与关键FCSPs的仿生阻尼器。(a) 不同磷酸化状态下FCSPs凝聚物FRAP的曲线及荧光扩散系数。数据以均值±SD（n=4个凝聚物）表示。(b) 通过可逆磷酸化修饰策略对昆虫表皮及FCSP-几丁质阻尼器进行原位增强的示意图。(c) 不同磷酸化状态下FCSP-几丁质水凝胶拉伸力学性能的雷达图（n=10）。(d) 天然表皮与原位磷酸化FCSPs增强水凝胶的对比图。数据以均值±SD（n=10个独立样本）表示。(e) 基于水凝胶断裂能与拉伸强度的Ashby图。Ashby图中的数据包括本工作中的亚洲玉米螟表皮与仿生阻尼器、壳聚糖（水合）、纤维素水凝胶、几丁质水凝胶（物理交联）、几丁质水凝胶（双网络）、海藻酸盐及BSA/海藻酸盐水凝胶、明胶及明胶/单宁水凝胶、基于ChNF的水凝胶、ChNF/Ca²⁺、ChNF（表面脱乙酰化）、ChNF/明胶水凝胶、丝素蛋白与皮肤。(f) 落球实验中不同商用材料上根据回弹高度计算的耗散能。数据以均值±SD（n=5个样本）表示。展示第一次反弹循环中的耗散能。PAAM，聚丙烯酰胺。HDPE，高密度聚乙烯。PP，聚丙烯。PVC，聚氯乙烯。PU，聚氨酯。EPE，发泡聚乙烯。CFRP，顺式-1,4-聚丁二烯。红星代表本工作中的复合水凝胶。插图：在FCSP-几丁质水凝胶与几丁质水凝胶上的落球实验数码照片。(g) 不同保护材料对脆弱水凝胶球的保护效果照片。FCSP-几丁质水凝胶可有效保护脆弱物体免受冲击。

总结与展望

本研究提出了一种生物抗冲击策略：两种结构蛋白通过液-液相分离形成由可逆非共价键（氢键、静电作用、π介导相互作用）稳定的动态网络，在实现高效能量耗散的同时保持材料柔性。仿生水凝胶断裂功高达8.6 MJ/m³。磷酸化后修饰可进一步调控力学性能。该LLPS驱动的设计策略为软体机器人、自适应防护装备和生物集成器件提供了可编程力学响应的新平台。