近期，華東理工大學軒福貞教授和王義明教授首次將 Hofmeister 效應與動態(tài)自組裝相結(jié)合，成功構(gòu)筑出具有“凝膠-溶液-凝膠”自調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)變行為的動態(tài)超分子水凝膠材料，并通過酶促反應調(diào)控這一過程。

圖丨王義明（王義明）

研究人員表示，這種動態(tài)自組裝機制有望應用于生物傳感和藥物遞送等領(lǐng)域，以實現(xiàn)更精準的治療和檢測，或用于構(gòu)筑具有自適應行為的仿生功能材料。很多情況下，人體或生命體中的信號傳導靠離子來完成，而該體系也是對離子的響應，因此這種超分子水凝膠有可能發(fā)展為一種離子傳感器。

另一方面，超分子水凝膠的組裝是靠離子和 Hofmeister 效應來維持的。在這項研究中，研究人員還展示了藥物遞送的可能性。

王義明對 DeepTech 進一步解釋說道：“未來有可能利用這種凝膠負載藥物，將其注射到病灶部位后，凝膠里的離子在濃度梯度的推動下，會向人體其它部位擴散。一旦離子流失，凝膠會快速解體，進而將所攜帶的藥物快速釋放到注射部位，達到治療效果。”

這一發(fā)現(xiàn)不僅為材料科學提供了新機制，也為理解生物體系中基于離子調(diào)控的動態(tài)組裝提供了新的視角。目前，研究人員正在與醫(yī)生共同開展藥物控釋方面的研究，即通過離子在人體內(nèi)擴散流失導致凝膠解體，從而實現(xiàn)藥物的釋放。

相關(guān)論文以《利用 Hofmeister 效應實現(xiàn)超分子水凝膠的動態(tài)自組裝》（Harnessing the Hofmeister Effect for Dynamic Self-Assembly of Supramolecular Hydrogels）為題發(fā)表在 Angewandte Chemie International Edition[1]。

據(jù)悉，該論文還被期刊編輯選為超分子化學領(lǐng)域的 Hot Paper。華東理工大學碩士生唐紅旺是論文的第一作者，王義明教授和軒福貞教授擔任共同通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（Angewandte Chemie International Edition）

據(jù)了解，這項研究是一個“無心插柳”的成果。研究人員的初始目標是模仿生命體通過酶催化信號來調(diào)控分子組裝，但在實際操作過程中，他們發(fā)現(xiàn)了一種反常的現(xiàn)象：在分子解體后，樣品在實驗室過了一夜后竟再次組裝形成凝膠。

“我們所用到的尿素酶在催化尿素水解過程中，pH 值會升高，導致組裝基元上的羧基因電離而使凝膠發(fā)生解體。但凝膠在解體后又重新組裝起來，這在我們此前所了解的組裝條件來看，非常反常且無法解釋。”王義明說。

在文獻調(diào)研的過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)在酶催化反應過程中除了 pH 值改變之外，還會產(chǎn)生銨根和碳酸根離子，屬于 Hofmeister 離子序列中的親液離子。于是他們猜想，或許是 Hofmeister 效應發(fā)揮了作用。于是他們按照 Hofmeister 序列做實驗，驗證了相關(guān)規(guī)律與之非常吻合。

基于此，研究人員找到了除傳統(tǒng)的靜電相互作用之外的另一個影響因素——Hofmeister 效應（注：Hofmeister 效應是指特定離子對水溶液中生物大分子溶解度的影響，這種效應遵循 Hofmeister 序列的規(guī)律）。

（Angewandte Chemie International Edition）

凝膠的形成與解體由 pH 控制，簡單來理解超分子水凝膠的動態(tài)自組裝過程：酸性條件下羧基不帶電，形成凝膠（Gel1）；堿性條件下羧基電離，導致凝膠解體為溶膠。

然而，酶反應最終產(chǎn)生的碳酸根離子（Hofmeister 效應）會誘導組裝分子周圍的水分子重排，顯著降低水分子對組裝分子的溶劑化作用，從而驅(qū)動這些分子重新聚集形成凝膠（Gel2）。

需要了解的是，傳統(tǒng)的超分子材料大多數(shù)是靜態(tài)的，而這項研究首次利用 Hofmeister 效應，賦予了材料動態(tài)自調(diào)控的能力。

該材料的優(yōu)勢在于生物相容性好且可降解性強。與傳統(tǒng)聚合物水凝膠通過共價或高分子交聯(lián)形成不同，該體系通過小分子組裝形成。所以一旦離子離開后，它會解體成更容易被人體清除的小分子。此外，非共價鍵的特征使得超分子凝膠相較于傳統(tǒng)的高分子水凝膠具有可注射的優(yōu)勢。

（Angewandte Chemie International Edition）

從生命體的角度來看，自然界很多極端微生物體內(nèi)存在大量的超分子組裝結(jié)構(gòu)，并動態(tài)執(zhí)行生命功能。盡管該研究所展示的是合成的凝膠體系，但本質(zhì)上是一種分子在離子作用下進行的動態(tài)組裝體系。

因此，該研究也為理解耐鹽等極端微生物的生存機制提供了一些有價值的啟發(fā)，也許耐鹽型微生物也利用如 Hofmeister 效應的機制來維持體內(nèi)超分子組裝結(jié)構(gòu)的完整性。

在這項研究中，研究人員發(fā)現(xiàn) Hofmeister 離子是一種重要的調(diào)控分子間作用力的方式。目前，他們正利用 Hofmeister 效應調(diào)控的凝聚體來模擬細胞內(nèi)的生物凝聚體。

這種凝聚體是一種良好的藥物載體，也是細胞內(nèi)部新陳代謝和基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的重要手段。在未來的研究中，研究人員計劃綜合考慮更多離子對組裝體的分子間作用力的影響，進而在應用方面探索更多的可能性。

參考資料：

1.https://doi.org/10.1002/anie.202505417

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