厦门大学《自然·通讯》：离子调控水态策略！开启丝素蛋白水凝胶的高强高弹与长效稳定新纪元

水凝胶作为由亲水性聚合物链通过物理或化学交联形成的三维网络结构，因其多孔亲水性和可调性能，在组织再生、药物递送及柔性电子等领域前景广阔。其中，丝素蛋白因具有独特的多级结构而展现出可调的力学强度、生物相容性和可控降解性，被认为是最有前途的天然蛋白质基水凝胶材料。然而，传统丝素蛋白水凝胶长期面临力学性能与稳定性难以兼得的严峻挑战——其高含水量虽赋予了柔软质感，却往往导致力学强度不足，而后续的水分流失更会引发脆性断裂（图1a），这一科学瓶颈严重制约了其在表皮电子学和组织工程等领域的实际应用。

针对上述难题，厦门大学郭文熹教授、叶美丹教授团队创新性地提出了一种离子介导水合工程（IMHE）策略，通过调控水凝胶内部的水分状态来突破性能极限。该策略的核心在于利用冷冻干燥完全去除水凝胶中的全部水分，再借助高吸湿性盐离子通过强结合能重新从空气中捕获水分，从而将不稳定的自由水转化为更为稳定的结合水（图1b）。最终制得的HSF-MIN水凝胶展现出令人瞩目的综合性能：压缩强度提升186倍（达5.6 MPa），压缩形变接近100%，具备超弹性且滞后极低（<5%），同时因结合水的高度稳定性使多级结构得以稳固，在一年内保持约80%的含水量并持续呈现低滞后特性。相关论文以“Water-state control unlocks durable and elastic silk fibroin hydrogels”为题，发表在Nature Communications上。

图1 | 离子介导水合工程策略的设计与制备。a 调控丝素蛋白水凝胶中结构水的实验流程示意图。b 整个调控过程中的结构演变示意图。SF SOL代表丝素蛋白溶液。

为深入揭示水分状态的演变过程，研究者对三种水凝胶（HSF-MAX、HSF-AVG、HSF-MIN）开展了系统的多尺度表征（图2）。拉曼光谱分析显示，HSF-MIN中自由水的特征峰几乎完全消失，剩余拉曼峰主要对应结合水和中间结合水（图2a、b）；低场核磁共振进一步证实，HSF-MIN的横向弛豫时间较HSF-MAX显著左移，表明内部水已转变为更为稳定的结合水（图2c）。差示扫描量热法结果则更为直观——HSF-MIN呈现出近乎直线的信号而无任何吸热过程，而未经处理的HSF-MAX则显示出主要源于自由水的明显吸热峰（图2e）。结合水分含量测定，尽管策略去除了部分不稳定水分，HSF-MIN仍保持约80%的含水量（图2d），证明其中几乎不含自由水，而是由离子牢牢锁定的稳定非冻结结合水所主导（图2f）。

图2 | 三种水凝胶体系中的水分状态表征。a 三种水凝胶的拉曼光谱。b 解卷积拉曼光谱定量分析不同水分种类（FW：自由水；IW：中间结合水；BW：结合水）的贡献。c 反映水分子运动性的低场¹H核磁共振谱。d 三种水凝胶的总含水量测定。e 三种水凝胶的差示扫描量热分析曲线。f 三种水凝胶中不同水分状态的分布比例。

力学性能测试揭示了HSF-MIN的革命性突破（图3）。标准压缩实验表明，HSF-MAX和HSF-AVG的压缩极限分别不足60%和80%，而HSF-MIN在90%压缩应变下仍保持结构完整且卸载后几乎完全恢复初始形状（图3a），其最大压缩强度达5.6 MPa，分别是HSF-MAX的186倍和HSF-AVG的12.7倍（图3b、c）。更令人振奋的是其弹性性能——在50%应变循环压缩测试中，HSF-MAX表现出71.76%的回弹性，HSF-AVG提升至82.25%，而HSF-MIN则实现了96.41%的近完美弹性恢复（图3d），各应变水平下的应力-应变曲线高度重合（图3e），展现出卓越的形状记忆功能和极低能耗，在已报道水凝胶中具有显著优势（图3f）。在长达5000次循环压缩测试中，HSF-MIN的应力保持率高达98%，残余应变仅为0.6%，能耗系数低于0.016（图3g-i），充分验证了其超弹性和优异的抗疲劳性能，凸显了水分调控策略对水凝胶长期服役的关键作用。

图3 | 水凝胶的力学压缩性能。a 三种水凝胶在压缩-松弛过程中的照片。b 水凝胶压缩的典型应力-应变曲线。c 三种水凝胶压缩性和压缩应力的比较。d 加载-卸载曲线。e HSF-MIN在不同压缩比下的曲线。f 与先前报道水凝胶的弹性-压缩应力Ashby对比图。g HSF-MAX在20%压缩应变下经历5000次循环压缩的曲线和h HSF-MIN的循环压缩曲线。i HSF-MIN在不同循环次数下的残余应变、应力和能耗系数。

结构表征进一步揭示了性能提升的内在机制（图4）。傅里叶变换红外光谱显示，HSF-MIN在酰胺II区1542 cm⁻¹处出现归属于无规卷曲的特征吸收峰，表明冷冻干燥使丝素分子链收缩缠结，形成了更多无规构象。X射线衍射分析证实，HSF-MIN从最初松散堆积的Silk I网络转变为更为致密有序的Silk II结构，小角X射线散射进一步确认了相邻晶域间平均距离的减小，表明分子链缠结显著增强。扫描电镜图像清晰显示，HSF-MAX呈松散多孔网络，而HSF-MIN则表现为分子链聚集缠结的致密形态。研究者指出，弱交联与强缠结的协同效应是HSF-MIN力学性能大幅提升的关键，而疏水相互作用则是链间强聚集的驱动力。

为验证IMHE策略的普适性，研究团队将其应用于明胶水凝胶，所得Gelatin-MIN同样展现出显著增强的压缩性、优异弹性和低滞后特性，且该性能至少稳定维持30天，表明该策略可能广泛适用于其他蛋白质基水凝胶体系。进一步探究不同盐离子的影响发现，ZnCl₂、LiCl、MgCl₂和CaCl₂处理可显著增强弹性，而NaCl、KCl和(NH₄)₂SO₄则导致塑性行为和弹性下降（图4a-c）。通过计算50%压缩加载-卸载下应力-应变曲线的回弹性，HSF-MAX的弹性得到了不同程度的提升。密度泛函理论计算揭示了内在机制：高水合能力离子的结合能更强，在冷冻干燥后能有效重新捕获水分形成稳定结合水，而低水合能力离子则无法有效锁水（图4d）。X射线光电子能谱分析表明，HSF-MIN中C 1s和O 1s谱峰的变化反映了离子与丝素分子链间的配位作用，进一步证实了离子介导的水合效应（图4g、h）。长期力学稳定性测试显示HSF-MIN在一年内性能几乎无衰减（图4e），其相互作用模型如图4f所示。

图4 | 含水量对水凝胶的影响。a 低水合能力离子制备的HSF-MIN的压缩应力-应变曲线和b高水合能力离子制备的曲线。c 不同离子种类改性水凝胶的弹性比较。d 密度泛函理论计算获得的相互作用能值。e HSF-MIN的长期力学稳定性。f 相互作用示意图。g X射线光电子能谱C 1s扫描和h O 1s扫描。

基于HSF-MIN的优异性能，研究者开发了高性能压力传感器（图5）。该传感器展现出高灵敏度、快速响应/恢复以及极低的检测限（图5a-c）。在5000次循环测试中信号高度稳定（图5d），4个月存储后仍保持稳定信号输出，而HSF-MAX基传感器因脱水在3天内即失效（图5e）。在连续加载条件下，传感器表现出卓越的信号稳定性，适用于机器人夹持控制和生物力学监测等需要长期力维持的应用场景（图5f）。当安装于振动台时，传感器在20、104和400 Hz频率下均能捕获清晰响应，频率相对误差和半高宽分析证实了其记录振动信息的可靠性（图5g、h）。研究者进一步将该传感器集成至机器人抓取系统，通过闭环反馈控制实现了对木质块和泡沫等不同重量和柔顺性物体的稳定操控（图5i-k）。

图5 | HSF-MIN基压力传感器的传感性能。a 传感器在180 Pa压力下的响应/恢复时间。b 传感器在不同压缩应变下的电阻响应。c 传感器在10 Pa至5 kPa压力范围内的灵敏度曲线。d 传感器在180 Pa压力下经历5000次循环的稳定性测试。e 传感器在4个月存储前后的响应对比。f 传感器在连续加载下的信号稳定性。g 传感器在20、104和400 Hz频率下的振动响应。h 频率相对误差和半高宽分析。i 机器人抓取系统示意图。j 基于阈值控制的抓取力调节。k 机器人稳定抓取木块和泡沫的照片。

得益于HSF-MIN的低模量（低于人体皮肤）、高离子电导率（1.2 S/m）、高透湿性（1500 g/m²/day）以及可薄至200 μm的厚度，该材料展现出作为表皮生物电极的巨大潜力（图6）。在电生理信号监测中，HSF-MIN电极在整个频谱范围内均展现出比HSF-MAX和商用凝胶电极更低的皮肤接触阻抗，且在三天长期监测中保持稳定低阻抗，而HSF-MAX则因失水导致阻抗大幅上升（图6b、c）。心电图记录显示，HSF-MIN可持续获取清晰信号（图6d），在连续三天记录中信号质量稳定（图6e），在静息、餐后和运动后不同生理状态下均能可靠捕获心率动态变化（图6f），而HSF-MAX从第二天起即出现信号退化，第三天完全失效。肌电信号采集进一步验证了其优越性能——HSF-MIN保持高信噪比和低噪声水平，而HSF-MAX在三天内因脱水出现显著噪声放大和信号退化（图6g-j）。基于这种可靠的肌电信号分辨能力，HSF-MIN电极能够精确区分不同握力强度下的肌电信号差异（图6k），研究团队开发了人机接口系统，通过机器学习算法实现了对四种握力水平的100%分类准确率（图6l），成功将神经肌肉活动转化为机器人抓取力控制，实现了对豆腐等易碎物体的无损安全操控（图6m）。

图6 | 基于HSF-MIN表皮电极的电生理信号监测。a 心电和肌电信号采集示意图。b 皮肤阻抗比较。c 两天前后皮肤阻抗比较。d 心电图信号记录。e 连续三天记录的心电图信号比较。f 静息、餐后和运动后状态下的心电图轨迹。g 肌电信号记录。h 连续三天采集的肌电信号比较。i 肌电信号均方根噪声随时间的变化。j 肌电信号信噪比随时间的变化。k 不同握力强度下肌电信号的均方根幅值。l 基于实时肌电信号的机械臂控制界面。m 基于肌电控制的机械夹爪稳定夹持豆腐块的照片。

本研究创新提出的IMHE策略通过将不稳定自由水转化为结构结合水，成功稳定了丝素蛋白网络的多级结构，制备出兼具高压缩性（>95%应变）、高压缩强度（5.6 MPa）、优异弹性（96%恢复率）和长期结构稳定性（维持超一年）的丝素蛋白水凝胶。研究者建立了水-聚合物相互作用模型，将水合状态与力学行为相关联，为理解强度-弹性协同提供了理论框架。该水凝胶在连续传感和人机交互中展现出可靠性能，且IMHE策略在明胶水凝胶中的成功验证，为下一代软电子学提供了一种普适性的水合调控方案，有望推动高性能蛋白质基水凝胶在生物医学工程和柔性电子领域的广泛应用。