在材料科学的前沿领域，小分子自组装技术备受瞩目，却也面临诸多难题。你能想象吗？那些微小的分子，本有望构建出神奇的结构，可薄弱的非共价相互作用却成了“拦路虎”，让大规模稳定结构的构建困难重重。今天来了解的一项研究——《Water-regulated viscosity-plasticity phase transitions in a peptide self-assembled muscle-like hydrogel》发表于《nature communications》，或许能带来转机。一种名为YAWF的四肽，竟能自组装成独特的液晶水凝胶，还能构建超稳定的大规模结构，它究竟有何神奇之处？咱们一起深入探究！

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一、研究背景：小分子自组装的挑战与机遇

在材料科学的奇妙世界里，小分子自组装技术正逐渐崭露头角。小分子通过非共价相互作用，自发地组合在一起，形成各种独特的结构。胰岛素在血液中以单体形式调节血糖，但在胰腺中却以锌结合六聚体的形式储存，还有许多聚合物通过非共价相互作用构建出了人工丝。

不过，目前利用小分子自组装构建稳定的大规模结构却面临着不小的挑战。由于小分子间的非共价相互作用较弱，所以它们通常只能构建出纳米尺度的结构，很难形成像我们日常生活中常见的那种大规模结构。那有没有办法突破这个困境呢？今天，我们就一起走进一项有趣的研究，看看科学家们是如何解决这个问题的。

二、YAWF自组装形成液晶水凝胶（LCH）：神奇的“微观建筑”

在探索小分子自组装的过程中，研究人员偶然发现了一种特殊的四肽——YAWF。它就像一个神奇的“微观建筑师”，在合适的条件下，能自我组装形成一种超粘性的液晶水凝胶，我们把它叫做LCH。

从下图中，大家可以清晰地看到LCH的凝胶化过程。YAWF粉末在超纯水中，借助1M NaOH调节pH到9.3±0.1，经过超声、加热、过滤，再在室温下静置，就慢慢变成了透明的LCH。

在不同浓度下，YAWF的表现可不一样。20mM时，它无法形成稳定水凝胶，也不能构建微丝；2.3wt%（40mM，23.4 mgmL-1）的浓度刚刚好，能形成稳定水凝胶；浓度再高，又会出现溶解度问题，产生聚集体。

TEM图像显示，YAWF自组装形成的纳米管长度超过了TEM的测量范围（20µm），而且这些纳米管排列得很整齐，和其他短肽自组装纳米纤维构建的水凝胶相比，有着明显的优势。

三、LCH的特性：粘性、弹性与自愈合的奥秘

LCH的特性十分独特。它的粘性超高，粘度大约是水的105倍，达到了90.5Pas-1，就像超级胶水一样。

从应变相关的振荡流变图中，能看到它有一个标准的线性粘弹性区域，当应变达到25.0%左右时，会出现水凝胶到溶液的交叉点，这表明它具有适中的粘弹性行为。

在频率相关的振荡测试中，弹性模量（G’）几乎不随测试频率变化，这说明LCH的结构稳定，有着凝胶的典型特征。而且，LCH还具有良好的自愈合性。从阶跃应变测量结果可以看出，经过多次拉伸后，它的损耗模量和储能模量只是稍有下降，然后就保持稳定，这意味着它能快速地解离和重新形成，就像有自我修复的超能力一样。

四、LCH纤维的原子结构：微观世界的有序排列

为了深入了解LCH的奥秘，研究人员利用Cryo-EM技术，在原子分辨率下观察LCH纤维的三维结构。通过一系列复杂的操作，最终得到了分辨率为3.12Å的三维重建结果。

LCH纤维呈现出拉长的螺旋结构，具有C2对称性。从下图中，我们能清楚地看到它的螺旋形状，平均螺旋上升高度为4.6，扭转角度为5.15°。在这个结构中，YAWF分子排列成y形状。酪氨酸残基指向内部，形成中心隧道的表面；色氨酸和苯丙氨酸残基构成外壳；丙氨酸残基则连接内外表面。分子间通过大量的氢键和芳香-芳香堆积相互作用结合在一起，这些相互作用不仅让纤维结构紧密，还赋予了它一定的拉伸性。

五、纳米管排列成线：水调控的神奇转变

接下来，我们看看LCH的另一个神奇之处——纳米管排列成线。通常，构建宏观结构需要借助一些外力，比如使用二价抗衡离子帮助自组装纳米结构排列。而YAWF形成的LCH有自己的独特方式。

当对LCH施加外力时，自组装的纳米管会排列得更加有序。在这个过程中，水起到了关键作用。LCH中的纳米管形成框架，困住了水分子。施加剪切力后，纳米管的排列变得更有序，导致与水分子的平衡被打破，部分水分子被挤出。随着拉伸的进行，更多水分子逃离，最终形成大规模的固体微丝。

我们还能观察到，在拉伸LCH的过程中，它的弹性会逐渐转变为塑性。比如，用流变仪拉伸LCH时，一开始会形成透明的水凝胶棒，随着内部脱水，水凝胶棒会变得更细、更稳定，最终形成大规模的塑料微丝。

六、固体微丝的表征：强度与稳定性的探索

这些由LCH构建的固体微丝性能如何呢？SEM图像显示，流变仪拉伸得到的微丝不同截面通常比较均匀，直径超过10µm；手工拉伸的微丝由于受力不均匀，会含有节点。

通过测试发现，这些结晶后的微丝机械强度非常高，能支撑超过自身重量250倍的物体。我们可以看到，使用流变仪构建的微丝（直径在20-50µm之间），杨氏模量在10-30MPa之间；而手工构建的超细微丝（直径在几百纳米到10µm之间），虽然很难用常规方法测量杨氏模量，但通过FluidFM测量发现，它们的杨氏模量也有一定的数值范围。

此外，POM结果表明，微丝具有明显的双折射现象，这说明拉伸LCH形成微丝的过程是一个水调控的结晶过程。而且，YAWF自组装纳米管在拉伸过程中，角度会发生变化，从原来的40度增加到66度，直径也会减小，就像拉伸弹簧一样。

七、研究总结

YAWF可简单自组装成LCH，LCH能通过水调控结晶构建动态、稳定的大规模结构，具有可回收性。该研究揭示了其自组装机制，表明短肽等小分子在构建稳定大规模结构方面有巨大研究潜力。

八、一起来做做题吧

1、关于小分子自组装，下列说法正确的是（ ）

A. 小分子自组装只能形成纳米尺度结构，无法构建大规模结构

B. 所有小分子自组装都依赖非共价相互作用

C. 小分子自组装构建的材料都用于生物应用

D. 胰岛素在血液和胰腺中的存在形式与自组装无关

2、YAWF 形成稳定水凝胶的浓度是（ ）

A. 20mM

B. 40mM

C. 80mM

D. 4mg/mL

3、LCH 的弹性模量（G’）具有什么特点（ ）

A. 随频率增加而增大

B. 随频率增加而减小

C. 几乎与测试频率无关

D. 在不同应变下变化很大

4、Cryo - EM 分析显示 LCH 纤维的结构是（ ）

A. 球状结构

B. 片状结构

C. 拉长螺旋结构

D. 无规则结构

5、关于 YAWF 自组装纳米管排列成线，下列说法错误的是（ ）

A. 水在这个过程中起到关键作用

B. 施加外力会使纳米管排列更有序

C. 排列过程中不会发生弹性到塑性的转变

D. 最终可形成大规模固体微丝

参考文献：

Fang, Y., et al. Water-regulated viscosity-plasticity phase transitions in a peptide self-assembled muscle-like hydrogel. Nat Commun 16, 1058 (2025).