郑州大学/武汉大学合作AM:利用“有序-无序转变”打造高拉伸胶原蛋白离子凝胶

可穿戴设备和植入式传感器的发展日新月异，对兼具高拉伸性、稳定电性能和长期耐用性的生物材料需求日益迫切。天然结构蛋白如胶原蛋白，因其出色的生物相容性和力学多样性，被视为理想的候选者。然而，传统改性策略多局限于分子尺度的微调，常常顾此失彼，难以同时满足这些复杂的功能需求。如何在不牺牲胶原蛋白天然优势的前提下，赋予其卓越的弹性和导电性，成为该领域亟待突破的关键瓶颈。

针对这一挑战，郑州大学汤克勇教授、武汉大学吕昂副教授合作，开发了一种创新策略。该研究利用霍夫迈斯特离子工程，直接调控牛腱胶原的聚集态结构，实现了从长程有序到熵驱动无序的结构转变。这一方法不依赖传统的化学交联或外源性添加剂，而是通过选择性破坏胶原的超分子有序性，同时保留其三螺旋结构的完整性，最终成功制备出兼具高拉伸性、优异弹性、持久离子导电性和可靠传感性能的胶原蛋白离子凝胶。相关论文以“Ordered–Disorder Transition Induced Stretchable Collagen Ionic Gels Toward Flexible Sensors”为题，发表在Advanced Materials上，论文第一作者为裴莹。

这项研究的核心在于对霍夫迈斯特效应的巧妙运用。如图1所示，研究人员用溴化钠处理胶原聚集体薄膜后，材料发生了戏剧性的变化：原本硬脆的胶原水凝胶变得高度可拉伸，并获得了导电能力。处理后的离子凝胶断裂应变高达560.00%，弹性范围达到300.53%，回弹率更是惊人的97.36%。其韧性、弹性范围远超未处理的水凝胶，而损耗因子的降低则印证了其增强的弹性特征。溴化钠在此扮演了“一石二鸟”的角色，既引入了提供导电性的自由离子，又通过调控分子间作用力，诱导了胶原分子的无序化排列，从而提升了链段运动能力。

图1 | 胶原蛋白离子凝胶的设计与性能。(a) 牛肌腱中天然I型胶原蛋白的多级结构示意图，以及NaBr处理通过调节氢键、范德华力和静电相互作用破坏分子有序性，同时赋予离子凝胶拉伸性和导电性。(b) NaBr处理赋予胶原凝胶拉伸性和导电性（比例尺：0.5 cm）。(c) CAH与CAF-NaBr力学性能比较。数据以平均值±标准差表示（n=5）。

为了深入探究不同离子的作用，研究团队对比了多种霍夫迈斯特阴离子对胶原聚集体薄膜性能的影响。图2清晰地揭示了一个规律：kosmotropic离子如碳酸根、硫酸根能提升材料的拉伸强度，而chaotropic离子如溴离子、碘离子则显著增加了断裂应变。特别值得注意的是，溴化钠处理对保持天然聚集态结构的胶原聚集体薄膜产生了明显的尺寸收缩和拉伸性赋予，却导致分子态的胶原膜和明胶膜结构瓦解。这一结果凸显了霍夫迈斯特效应具有显著的结构单元依赖性。动态光散射分析进一步表明，溴化钠能极大加速胶原聚集体物理交联网络的动态交换，使其更易解离，而对明胶影响最小，这解释了其为何能选择性地作用于特定结构的胶原。

图2 | 霍夫迈斯特阴离子对CA和CAF结构的影响。(a) 典型霍夫迈斯特离子。(b) 经典型霍夫迈斯特离子处理的CAF的拉伸强度和断裂伸长率。(c) 经典型霍夫迈斯特离子处理的CAF的溶胀比。(d) 胶原基膜（CAF、CMF和GelF）在NaBr和(NH₄)₂SO₄处理前后的代表性数码照片（比例尺：1 cm）。(e) CA、CM和Gel链的结构示意图。(f) 加入NaBr或(NH₄)₂SO₄后，CA分散液、胶原溶液和明胶溶液中的聚集体尺寸分布。(g) 从拉伸指数衰减中获得的特征弛豫时间（τβ），表征层级动力学。

为何溴化钠能如此精准地调控胶原聚集体的结构？图3给出了微观层面的答案。透射电镜和小角X射线散射结果表明，未经处理的胶原聚集体纤维呈现出经典的67纳米D周期横纹结构，这是高度有序的象征。而经溴化钠处理后，这些周期性条纹完全消失，衍射环也变得弥散，标志着发生了不可逆的“有序-无序”转变。分子动力学模拟进一步揭示了其内在机制：溴化钠显著削弱了胶原分子间的静电相互作用、范德华力和氢键，同时增加了系统的熵值。这种熵增为材料在宏观尺度上的大变形提供了热力学驱动力，使得胶原分子链在拉伸时能获得更大的构象熵损失，从而表现出更显著的熵弹性。

图3 | NaBr处理对CA的结构影响。(a) NaBr处理对CA的D-周期条带结构影响的示意图。(b) 脱水和含水的CA以及CA-NaBr-w的小角X射线散射光谱。(c) 含水CA和CA-NaBr-w的透射电镜图像（左）和小角X射线散射图谱（右）。(d) NaBr处理前后堆积原胶原的分子动力学模拟快照。NaBr处理对堆积原胶原(e) 均方根偏差、(f) 势能和(g) 熵的影响。在100 ns模拟中，堆积原胶原内(h) 分子间静电相互作用和范德华相互作用、(i) 氢键数量及(j) 疏水表面积的变化。

这种从结构无序到功能弹性的转变，最终在材料的宏观力学和电学性能上得到了完美体现。如图4所示，经溴化钠处理后的凝胶其损耗因子低至0.02，玻璃化转变温度降至-41.2°C，表明分子链在室温下运动能力极强，材料变得柔软且顺应。力学测试显示，其断裂应变和弹性应变范围远超大多数现有的胶原基或天然聚合物基材料。在1500次循环拉伸测试中，其最大应力保持率仍高于90%，展现了卓越的抗疲劳性能。同时，溴化钠处理还赋予了凝胶离子导电性，尽管电导率随盐浓度先升后降，但在最优条件下仍能达到0.56 S/m，足以满足生物电子器件的需求。

图4 | CAF-NaBr离子凝胶的弹性与导电性。(a) CAF和CAF-NaBr-w的扫描电镜图像。(b) CAH和CAF-NaBr的损耗因子(tan δ)随温度变化的曲线。(c) CAF、CAH和CAF-NaBr的阻尼因子(tan δ)和玻璃化转变温度(Tg)。(d) CAF、CAH和CAF-NaBr的差示扫描量热曲线。(e) CAH和CAF-NaBr的拉伸应力-应变曲线。(f) 基于胶原或其他天然聚合物的可拉伸材料体系的断裂应变和最大弹性应变的比较。(g) CAH和CAF-NaBr在20%应变下的加载-卸载曲线（20次循环）。(h) CAF-NaBr离子凝胶的导电性示意图。

最后，研究团队展示了这种新型离子凝胶作为应变传感器的巨大应用潜力。如图5所示，该传感器在高达300%的应变范围内表现出优异的线性响应和频率不敏感性，测量因子恒定。在1000次循环拉伸和100次扭转测试中，其相对电阻变化信号始终稳定，无显著衰减，响应和恢复时间迅速。更令人振奋的是，将该传感器贴附于人体手指、手腕、肘部和膝盖等关节处，能够实时、准确地捕捉不同频率下的弯曲运动，并输出清晰稳定的电信号。通过构建无线实时监测系统，研究团队成功演示了该传感器在人体姿态和生理活动监测中的应用，充分证明了其在下一代柔性电子、软体机器人和生物集成传感系统中的广阔前景。

图5 | CAF-NaBr的机电表征及其在人体运动监测中的应用。(a) 在不同拉伸频率下（300%应变，0.08–0.4 Hz），相对电阻变化(ΔR/R₀)随时间的变化。(b) 不同应变下（50%–300%，0.08 Hz）的ΔR/R₀曲线。(c) 在300%应变、0.4 Hz频率下进行1000次循环的稳定性测试。(d) 应变灵敏度（应变系数）分析。(e) 在不同扭转频率下（180°扭转角，10–40°/s），ΔR/R₀随时间的变化。(f) 不同扭转角度下（0–180°，40°/s）的ΔR/R₀曲线。(g) 在重复扭转循环下（40°/s，180°，100次循环）的循环扭转电阻响应。(h) 归一化应变灵敏度。(i) 传感器在各种关节弯曲运动（手指、手腕、肘部和膝盖）中进行实时电阻监测的应用。

总结而言，这项研究通过霍夫迈斯特离子工程诱导的“有序-无序转变”，成功开发出一种高拉伸、高弹性的胶原蛋白离子凝胶。该工作系统地阐明了溴化钠赋予胶原蛋白弹性的跨尺度机制，从分子间相互作用到超分子结构重排，再到宏观性能的提升。这种超越传统分子修饰、利用超分子无序来增强功能的新范式，不仅加深了对离子调控生物大分子组装的理解，也为开发适用于柔性电子、软体机器人和植入式传感系统的高性能生物材料提供了一条通用且绿色的新路径。