下一代超结构会是什么样？浙大科创青年PI提出肽自组装体的二次组装新构想

       肽，是氨基酸的缩聚物，在自然界中普遍存在，可以广泛应用在免疫防御、肿瘤防治、抗老防衰等领域。除了食品医药行业，肽还可以通过自组装，制备成具有实用价值的微纳结构件，成为一种源于自然的超结构新材料！但是，肽自组装过程一直很难控制，而且由于过于微小，即便组装成功，也很难在器件层面发挥作用，这可以说是国际公认的领域难题。

      针对该难题，近日浙江大学杭州国际科创中心未来科学研究院青年PI陶凯研究员团队提出了新思路（图2）：对肽自组装体进行二次组装，从而形成阵列化和集成化，进而制备具有实用价值的微纳结构件。相关成果以“Microfabrication of Peptide Self-Assemblies: Inspired by Nature Towards Applications”为题发表在国际权威学术期刊Chemical Society Reviews (IF = 60.615)上；陶凯团队成员章家豪博士研究生为成果唯一第一作者。

陶凯研究员

       成果由陶凯研究员携手未来科学研究院院长俞滨教授，并联合中科院化学所李俊柏研究员、西安电子科技大学杨如森教授和以色列特拉维夫大学Ehud Gazit教授、爱尔兰都柏林大学Brian J. Rodriguez教授组成的多学科交叉的国际合作团队共同完成。

道法自然，聚沙成塔

      介绍二次组装前，先来说个自然案例。撒哈拉沙漠是世界上最大的热沙漠，这里的大部分地区都极度干旱和高温，地表温度可以达到近70摄氏度。但是，撒哈拉银蚁却能够在这种极端条件下突破极限生存下来。

      为什么它们可以耐受高温？科研人员发现，原来是因为银蚁利用了肽自组装体二次组装（阵列化）原理，聚沙成塔，积少成多，阵列化的肽自组装体使得血肉之躯发挥了出奇特的新功能，这才打造出了耐高温的“盔甲”。

       自然界可以办到的事情，我们是否可以“道法自然”效仿制备出所需要的功能结构件并以此设计出所需要的微纳器件？陶凯研究员和团队成员发现，这是可行的。通过材料-结构-器件一体化原则，利用生物有机功能超结构材料就可以设计制造面向生物-器件界面交互的新型微纳功能结构件和器件装备。

       一般情况下，肽分子可以基于非共价键的相互作用，自发地组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构，这就是自组装。但是，这种自组装体往往是微/纳米级的，对制造器件来说还是太小了，没有办法真正利用起来。

       陶凯研究员和团队成员在肽分子通过非共价键作用力形成自组装体的基础上，进一步借助各种内源或外在作用力，将其进一步组装形成规模化阵列架构，从而实现单一自组装体各种物化性能的集成和拓展，以满足实用化并进行器件的设计制造。打个比方，过去自组装体就好比是一个连队，而阵列化架构就好比是一个旅。“人”多力量大，过去一个“连”办不成的事情，在一个“旅”这里就不是难事了。肽自组装体一旦能够投入器件制造，就有具备真正产业化应用的可能性，从而实现从书架上货架的转变。

多措并举 开启二次组装之路

       人工干预肽自组装体的二次组装，就能让它们实现我们所希望的功效。这句话说起来简单，但实施起来并不容易。陶凯研究员和团队成员们反复研究，提出了4种方法。

第一种是滴涂法二次组装

       什么意思呢？简答地说，就是将某种特殊的溶液滴涂在器件表面，即可改变器件的性能。通过基底修饰和控制溶液挥发，不同形貌自组装体能够在基底界面形成具有特定结构的阵列架构，进而实现在光学与能源等领域的应用（图3），这种办法从工艺上来说是最简单操作的。

  第二种是场辐射力驱动二次组装

       不用发生实际接触，用场辐射也可以实现二次组装效果。传统的肽自组装通常在溶液环境中进行；肽分子良好的分散性使其能够对外界刺激做出响应。因此，场作用力（如电场力、磁场力和声场力等）可以用于驱动肽自组装体的阵列集成；制备得到的各向异性阵列在能源、细胞培养和催化等领域具有广阔的应用前景（图4）。

第三种是机械力驱动二次组装

       看到下图的白色“吸管”了吗？“吸管”挤压出条状物质的过程就可以看成是一次机械力的驱动，挤压过程中，肽自组装体就悄悄实现了二次组装。章家豪博士说，这就是以牵引力和流场剪切力为代表的机械力驱动肽一维纤维状/管状自组装体阵列集成。该种策略制备得到的组装阵列在能量收集和细胞培养等应用场合展现出了显著性能提升；而具有拓扑限域优势的模板辅助二次组装则能够进一步控制组装阵列的形貌与性能，有望实现形性的协同调控（图5）。

第四种是热蒸发驱动二次组装   

       这种办法就更神奇了，不需要外力干预，通过热蒸发就一步到位，实现肽自组装体二次组装。与传统在溶液环境中的肽组装模式不同，热蒸发驱动二次组装能够避免溶剂环境对组装热力学和动力学的干扰和影响，可以实现从肽分子到大规模阵列的一步成型（图6）。

       这些方法各有利弊，研究人员也还在探索中，虽然距离真实的肽自组装体制造的器件投入使用，还有很长的一段距离，但是二次组装策略的出现，至少为这一新型超结构体系的面世提供了一种新的可能和想象。

交叉创新 创向未来

      陶凯研究员和章家豪博士经常说，你有没有想过，生物为什么不是钢铁制造的，而是由看似最软弱的肽等软物质组成的呢？大自然的选择自有它的道理，生物体有着最精巧的结构，也有最多的秘密，这些都等着我们去解答。

      有没有可能有一天，我们能够用肽自组装超结构去打造器件，运用在柔性电子产品中，放置在人体内，实现真正的无排异性？如果这些都能实现，那么我们今天的研究，就是在铸就下一个时代的新功能结构体系的传奇。

       敢想、敢做、敢探索，陶凯研究员说，浙江大学杭州国际科创中心给予了团队这样的舞台，探索肽自组装基础与应用的过程中，他们遇到了不同学科背景的老师以及广泛的国际学术资源，这一切都为交叉创新提供了可能，为下一代新材料、新结构、新器件装备和新应用的研究打下了坚实基础。

  “像我们自己就是化学和材料背景，但是现在从事的工作又和机械专业息息相关，并着眼于生命医学领域，我觉得这不仅充满了挑战，也充满了意义，因为实际应用需要的就是专业的不断交叉，”陶凯研究员说，他有信心带领团队在科创中心创造更多可能，为下一代新超结构体系的诞生贡献更多力量。