自组装溶胶-凝胶
响应环境或用户施加的刺激而改变形式或功能的软材料具有广泛的生物医学应用。凝胶可以在水中由弱相互作用的分子形成，但在分子浓度或应用温度发生变化时恢复到流动的液体悬浮液状态，称为溶胶。这种行为称为重入相变。凝胶到溶胶的相变通常由浓度降低引起，这意味着凝胶在稀释时变成溶胶，而溶胶变成浓度增加的凝胶。在自组装过程中，分子由于它们的特性或它们所处的条件而形成特定的结构。几种自组装图案已用于制备软材料。一种是母体利用具有一定超分子间作用的分子，如定向氢键单元，形成超分子聚合物。这种类型的丝状组装，让人联想到高持久长度的聚合物。另一个常见的是简单的表面活性剂，它们通过疏水结合组装成称为胶束的球形物体。表面活性剂作为去污剂和界面稳定剂以及在脂质纳米颗粒疫苗中具有广泛的应用。
当混合由不同基序制备的分子时，自组装通常遵循自分类的热力学偏好，这意味着每个物种形成自己的分离结构。然而，由于不同分子基序具有共同的驱动力，因此实现纯自分类可能是一项挑战。当潜在的驱动力（例如疏水结合）在不同的基序之间保持不变时，多组分共组装会出现有趣的现象。在这种情况下，分子之间相互作用强度的微小调整可以决定不同自组装结构的出现。由于这些相同的相互作用受溶液的浓度、温度和盐或 pH 值等参数控制，因此可以通过控制这些参数来调整生成的组件以创建响应材料平台。两个自组装基序的浓度依赖性相互作用，是通过超分子聚合或表面活性剂胶束形成的不同机制组装的基序。
关键问题
交互式和自适应软材料的设计需要复杂的化学成分组成，自然往往是其灵感来源。但是根据基于自然实现软材料的设计仍存在以下关键问题：
1. 自然过程难以理解：由多种缔合和解离相互作用形成的多组分系统是生物物质的关键特征，但所有这些相互作用的竞争性相互作用使得对某些自然过程的理解很困难。
2. 构建合成系统模仿自然过程：液-液相分离通常伴随着重入相变 (RPT) 的发生，温度的变化和/或其中一种成分的添加会导致原始阶段的重现。这种现象在细胞内无膜细胞器的形成中起关键作用。在热力学平衡下具有许多组分的分子系统中的相变，只需要对分子间相互作用的强度进行微小的调整来调节具有特定成分的不同结构域的形成，这为合成系统提供依据。
新思路
有鉴于此，埃因霍温科技大学E. W. Meijer等人基于使用超分子聚合物和表面活性剂的意外稀释诱导组装过程提出了两个重入相变的整合。水溶性苯-1,3,5-三甲酰胺 (BTA-EG4) 和表面活性剂以特定比例的共组装产生了小尺寸的聚集体。这些交互是使用两个组件的自分类和共同组装之间的竞争来建模的。通过在水中两倍稀释而不改变它们的比例，将小尺寸聚集体转化为超分子聚合物网络。动力学实验表明在稀释过程中微米长纤维的原位生长。通过引入另一种正交相互作用，能够创建在稀释时经历完全可逆的水凝胶-溶液-水凝胶-溶液转变的系统。
技术方案：
1、发现了溶胶-凝胶转变
作者使用的超分子聚合物基序是BTA-EG4的盘状分子，它易于在水中堆积成细长的纳米级细丝，这些细丝可以缠结形成凝胶。当这种超分子基序与表面活性剂结合时，超分子丝的形成受到抑制，因为表面活性剂会破坏堆积。在稀释后，由于表面活性剂和 BTA-EG4 之间的相互作用减弱，观察到意外的溶胶到凝胶转变，从而使 BTA-EG4恢复其首选的丝状组装。溶胶相和凝胶相都以这两个正交基序的相同相对组成存在，并且只需要改变总的总浓度，系统就可以在其溶胶和凝胶状态之间振荡。
2、展示了复杂的凝胶-溶胶-凝胶-溶胶稀释级联
作者基于多组件和正交自组装准备了两种不同的方案。由BTA-EG4和表面活性剂制备的体系可以从坚固的凝胶状态开始，起始浓度非常高，超分子基序与表面活性剂的摩尔比为2/3。在这种高初始浓度下，由两个基序组成的球形组件融合形成网络。稀释后，会出现由类似球形组件组成的溶胶，但浓度低于形成融合网络所需的浓度。从这一点继续稀释通过形成BTA-EG4基序优选的超分子丝来恢复凝胶状态。然而，额外的稀释可将这些细丝的缠结减少到凝胶形成阈值以下，从而再次恢复溶胶。
3、实现了不同凝胶-溶胶-凝胶-溶胶级联
作者还展示了一种能够实现不同凝胶-溶胶-凝胶-溶胶级联的替代方案。通过引入能够形成另一个正交超分子网络的第三分子，该组分包含形成长纤维束的脲基嘧啶酮 (UPy)超分子基序。尽管UPy基序也与表面活性剂相互作用，但组装的UPy纤维束并未明显受到表面活性剂的干扰。通过这种方法，BTA-EG4和表面活性剂的系统，在以前形成由球形组件组成的溶胶的浓度下，可以通过添加高浓度的UPy纤维状结构来形成凝胶。从该初始点稀释超过了UPy网络的凝胶化能力，但尚未达到诱导BTA-EG4细丝形成的点，从而产生溶胶。持续稀释激活 BTA-EG4细丝形成，其与剩余的UPy纤维束结合恢复凝胶状态，包括两个正交的超分子聚合物网络：BTA-EG4和UPy网络。在进一步稀释后，系统再次转变回溶胶。
技术优势：
1. 实现了自然复杂现象的简单合成体系模拟
本工作中材料的分子尺度自组装的可调特性提供了利用简单合成体系模仿自然界中观察到的更复杂现象。例如，无膜细胞器——细胞内没有被传统脂质膜包围的不同隔室——被认为是由液-液相分离产生的，因为在水环境中形成这些组件的相关多组分系统的浓度梯度，这在生物信号传导中起到重要作用。
2. 阐明了引起浓度依赖性相分离的微妙热力学驱动力的重要性
本文工作描述了简单系统的行为，该系统包含多种竞争性相互作用，从而模仿自然过程，作者阐明了引起浓度依赖性相分离的微妙热力学驱动力的重要性。这种由高度适应性和稀释触发的水凝胶组成的自组装材料的范例可能进一步导致设计用于原位调节治疗性生物医学功能的刺激响应材料平台。
3. 首次解析了稀释诱导的水中超分子聚合的潜在机制
作者通过构建水性合成超分子系统，通过凝胶-溶胶状态转换过程的可视化，解析了水中超分子聚合的潜在机制，并实现了凝胶-溶胶-凝胶-溶胶级联。
技术细节
水中稀释诱导的凝胶化
构建水性合成超分子系统的两个常用单元是表面活性剂和超分子单体。单体BTA-EG4 在水中进行超分子聚合，在氢键和疏水效应的驱动下，以微摩尔浓度提供一维聚集体，并通过亲水性四甘醇基团使其溶于水。动态水凝胶在浓度高于 8 mM时形成。阳离子表面活性剂辛基三甲基溴化铵 (OTAB) 形成球形胶束，其流体动力学直径高于其临界胶束浓度约2 nm。通过结合这两个单元来研究正交性时观察到加入 OTAB 引起了 BTA-EG4 水凝胶的完全破坏。所得溶液在稀释后转化为透明水凝胶，然后在进一步稀释后重新进入溶液相，从而在水中产生超分子溶胶-溶胶RPT。前两种状态通过低温透射电子显微镜（cryo-TEM）和小角X射线散射（SAXS）可视化。该过程通过增加浓度是完全可逆的。在超分子单元稀释后，它与两个集成RPT（凝胶-溶胶-溶胶）的开发相结合。
阐明稀释时溶胶-凝胶转变的途径
作者研究了BTA-EG4与微摩尔浓度的表面活性剂库之间的相互作用。通过采用阳离子表面活性剂西曲溴铵为例，进行了核磁共振 (NMR)和低温TEM测量。表明了所有表面活性剂都整合在聚合物中。这些较小的聚集体通过低温TEM 图像得到证实，纤维长度小于500 nm。紫外可见（UV-vis）光谱证实了纤维破裂和小BTA 聚集体的形成。这种转变取决于总浓度以及两种组分的比例，在 BTA 浓度较低时需要更多的表面活性剂。聚合物与表面活性剂的饱和使结构不稳定并在高浓度表面活性剂下破坏纤维，这很可能是由于形成的结构中的静电和/或几何约束的结果。对其他表面活性剂的研究揭示了三个相关结论：（i）表面活性剂和BTA-EG4之间的亲和力取决于表面活性剂的脂肪链长度，（ii）BTA-EG4 纤维在表面活性剂的CMC以下不稳定， (iii) 过渡取决于总浓度和组分的比例。
作者构建了热力学质量平衡模型，以证实稀释后的溶胶凝胶转变是由表面活性剂与 BTA-EG4 聚合物的浓度依赖性络合驱动的。该模型描述了超分子聚合、胶束化、CTAB与聚合物的络合以及聚合物坍塌之间的竞争。随后研究了BTA-EG4 溶液的稀释诱导效应。随着对水中稀释诱导的超分子聚合机制的理解，通过两种不同的策略引入额外的正交相互作用，开发了两个RPT的整合：第一种策略利用聚合物表面活性剂的固有特性导致更高浓度的进一步聚集，而第二种策略利用具有不同凝胶浓度窗口的正交超分子双网络。
在水中稀释诱导的凝胶-溶胶-凝胶-溶胶转变
作者通过 UV-vis、NMR和cryo-TEM评估了OPEG与BTA-EG4在微摩尔浓度下的相互作用，显示出与 CTAB 观察到的行为相似的行为。在Milli-Q (MQ)–H2O中优化的BTA-EG4: OPEG摩尔比为 2:3 产生了不透明的凝胶1，目数约为10到20nm。密集的网络由融合的BTAEG4/OPEG胶束的蠕虫状纤维组成。流变实验表明，储能模量G'高达 2 kPa，复数粘度h*高于2 kPa·s，以及快速和近乎完全的自愈行为。当用水将该凝胶稀释后，由于融合胶束的解离，在平衡后获得溶液。当该溶液进一步稀释后，形成了透明动态凝胶。这种凝胶化是由OPEG从BTAEG4/OPEG胶束复合物中解离/释放触发的，这使得 BTA 纤维能够伸长并导致形成典型的缠结 BTA-EG4 纤维网络。进一步稀释后，水凝胶变为粘性溶液。BTA-EG4的良好生物相容性为在更复杂的介质中应用这种多组分系统提供了进一步的机会。整个过程使用磷酸盐缓冲盐水和DMEM/F12基础培养基，显示出与在MQ-H2O中观察到的相同的RPT行为。此外，当施加生理温度时，凝胶1的G'降低了 8 倍，这可能是由于BTA-EG4/OPEG 胶束的快速解离。
稀释后纤维的动力学原位形成
在探索了特定浓度下的不同状态后，作者测试了跟踪这些聚合物在稀释时形成的方法。使用全内反射荧光显微镜 (TIRFM) 来追踪在将浓溶液液滴添加到水性薄膜中后超分子聚合物纤维的原位形成。根据观察结果，作者将生长和收缩分别归因于液滴和液滴的浓度梯度——类似于两亲分子从液滴中挤出时由Marangoni流在中尺度定位中形成的动态互联网络现象。这些结果强调了浓度在多组分系统中的关键作用，有助于理解生物学中的几种现象，其中 RPT 对于理解细胞凝聚物至关重要。
展望
总之，作者首次报道了稀释后形成凝胶这一独特的现象，并对分子尺度的自组装过程进行了探究和解析。根据材料中分子尺度自组装的可调特性为模拟自然界中观察到的更复杂现象提供了简单体系的合成依据，基于本工作的研究发现，作者设计了多种策略实现了级联的溶胶-凝胶-溶胶-凝胶系统。该工作所报道的高度适应性和稀释触发的水凝胶组成的自组装材料的新范例可能进一步导致设计用于原位调节治疗性生物医学功能的刺激响应材料平台。
