DOI:10.1021/acsnano.9b09610

天然蛋白质穿越复杂的自由能景观，组装成分层组织结构，通常通过刺激导向的动力学途径来响应相关的生物线索。受生物启发的策略试图用合成类似物模拟这些自然过程中表现出的复杂性、动态性和模块性。但是，这些努力受到许多因素的限制，这些因素使合成结构的合理设计和可预测组装复杂化，尤其是在水性环境中。本文中，描述了一种模型盘状两亲性凝胶剂，当其暴露于pH刺激的不同应用速率时，会经历依赖于途径的结构性成熟，并通过电子显微镜、光谱学和X射线散射技术进行了研究。在缓慢变化的pH刺激的指导下，形成了复杂的分层组装，其特征是中尺度拉长状“超结构”束嵌入在窄纳米纤维的渗滤网格中。相比之下，在快速施加pH刺激下的组装具有均质结构的特性，除了体积显著减小和随之而来的整体流变性能大幅增加外，使人联想到由更深思熟虑的路径所产生的超结构。该合成系统与天然结构（例如胶原蛋白）所观察到的途径复杂性和层次有序性相似，并指出了可用于增强控制超分子跨长度尺度自组装特性的基本设计原则。

图1.BTA-（bE）3单体的化学结构和设计原理，以及通过分子间核酰胺氢键和平面芳烃核之间的相互作用而形成手性堆栈的自组装基序。

图2.在BTA-（bE）3体系中，导致一系列宏观和纳米级材料特征的样品pH值变化的动力学操作。（a）在使用HCl（黑色）或GdL（红色）处理的情况下，监测BTA-（bE）3样品pH值随时间的变化。（b）HCL触发样品生长最早期的TEM(左)，显示出粗大的分枝状纤维纳米形貌以及1 h后的SEM（右）显示出由粗大曲折的纤维束组成的密集网络。插图显示了每次样品的宏观特征。（c）TEM（左，中）显示在GdL触发组装后0.5和24 h的纳米级形态，分别具有薄的一维纤维堆栈和插入的纤维束；SEM（右）显示GdL中生长72 h后的最终网络拓扑结构，表明与类似于24 h观察到的细网格并存的大量杆状组件。插图显示了每次样品的宏观特征。（d）1 h HCl、72 h GdL和24 h GdL样品的振荡频率扫描，表明与24 h时间相比，最终GdL样品的储能模量（G'）显著增加，并且测得1 h HCl样品的模量更高。（e）对72 h GdL介导的和1 h HCl介导的水凝胶进行分步应变评估，证明两种情况下机械扰动后的自愈能力。（f）对于1 h HCl、72 h GdL和24 h GdL样品，复数粘度与角频率的测量结果表明，两种凝胶体系的粘度随施加的剪切力的增加而降低。

图3.施加GdL刺激后，随着时间的推移，BTA-（bE）3的近紫外圆二色性（CD）光谱。突出显示的信号（插图）在将近12 h达到最大强度，随后在大约60 h的样品成熟过程中信号逐渐降低。当样品在最后两个时间点从透明转变为不透明时，长波CD波段经历了约13 nm的红移，而短波波段在整个透明凝胶成熟过程中经历了共4 nm的逐渐紫移。过渡到不透明的最终状态时，会有9 nm的大位移。虚线显示添加HCl后24 h的样品CD光谱。

图4.使用GdL后72 h出现的分层组织材料的显微镜证据，该材料由包裹在较小纳米纤丝网中的大型超结构组成。（a）块体水凝胶的螺旋状纳米纤维性质的SEM，以及（b）高度对齐、光滑杆状超结构与块体纳米纤维网共存。（c，d）SEM发现，在样品制备过程中，这些超结构跨越了水凝胶的分段碎片，表明了它们作为基础支撑框架的作用。（e）TEM为网络化的纳米纤维大规模排列成高度捆绑的超结构提供了证据，据推测这是观察到的嵌入纤维网络中的（f，g）大型杆状物体的起源。（h）对于72 h GdL的样品，POM具有适度的双折射特性，提供了贯穿整个水凝胶的径向纺锤状结构的证据，这些结构可能是由SEM/TEM中的杆状超结构组成。

图5.（a）HCl刺激后24和1 h以及GdL刺激后72、24和1 h制备的水凝胶的SAXS-WAXS数据，并标有相关的布拉格峰。还显示了排列在（b）六边形柱状晶格和（c）三螺旋束中的自组装BTA-（bE）3分子的拟议填充物结构的横截面，以及填充物类型的确定晶格参数和拟议尺寸。

图6.（a）在pH 4.5 TBS中制备的稀释1.04 mM BTA-（bE）3溶液的圆二色性冷却曲线，其温度范围为278至372K。（b）在样品冷却过程中，监测320 nm CD波段峰强度对温度的影响被转化为BTA-（bE）3分子的聚集，表示为稳定状态下自组装单体完全饱和的一部分。在所测量的1.04、0.62和0.25 mM稀释液中320 nm峰的急剧出现表明了协同组装过程。

图7.在快速（HCl）和慢速（GdL）动力学条件下，BTA-（bE）3自组装的拟议机制。在快速途径中，质子化单体通过氢键发生横向缔合，同时单体通过核心酰胺氢键轴向堆积，从而在横向和轴向形成短的低聚物。这些低聚物将它们自己排列成蜂窝状晶格排列，其几何结构允许单体外围的C3对称H键以及最佳的轴向堆积模式。这一过程很快产生了具有六边形柱状填充物的晶体纤维，其长径比相对较高，但宽约为10个分子。相反，缓慢的GdL途径通过成核-延伸进行，在该途径中，手性堆栈一旦达到预核临界聚集状态就会生长，并且会进一步与类似的螺旋结合形成高阶三重或多螺旋束。最终，慢催化途径表现出与快速途径相同的六边形柱状填充物结构，尽管宽度尺寸大于一个数量级，结晶度和规则性更高，并且由于这些六边形柱状超结构与其余的螺旋纳米纤维束共存，所得到的材料具有不同的力学性能。这种结构共存是由不完整的转换产生的，由最终螺旋GdL途径箭头中的星号表示，从多螺旋束态到多晶纤维填充物。