《Angew》华东理工大学轩福贞/王义明：利用霍夫迈斯特效应实现超分子水凝胶的动态自组装！

动态调节分子间相互作用对于创造具有类似生命自调节功能的动态超分子材料至关重要。然而，尽管特定离子效应（霍夫迈斯特效应）对分子间相互作用具有显著影响，但其在动态超分子材料中的应用尚未被充分探索。

近日，华东理工大学轩福贞、王义明团队通过简单的酶促反应调控霍夫迈斯特效应，实现了超分子水凝胶的动态自组装。所涉及的凝胶化剂含有羧酸基团，在酸性pH下自组装形成水凝胶（Gel1），而在碱性pH下溶解。令人惊讶的是，我们发现在碱性pH下溶解的凝胶化剂可以通过 kosmotropic 离子（如 NH4+和CO32-）的积累被驱动重新自组装形成另一种水凝胶（Gel2），这是通过破坏凝胶化剂-水的相互作用实现的。通过与尿素的酶促水解耦合，Gel1 会逐渐因 NH3 的产生而解体，但随着 kosmotropic 离子的积累，溶解的凝胶化剂被驱动重新自组装形成 Gel2，实现了自调节的凝胶-溶液-凝胶转变过程。通过调节尿素或脲酶的浓度，可以调控 Gel2 的转变速率和刚度。这项工作可能为利用霍夫迈斯特效应创造类似生命的自调节超分子材料提供新的思路，这些材料在离子编程生物传感和药物递送等领域具有广阔的应用前景。相关研究成果发表于《Angewandte Chemie International Edition》上。

图文解析

图1.霍夫迈斯特效应介导的动态超分子水凝胶化。a）凝胶化剂1、2和3的化学结构；b）通过质子化驱动凝胶化剂3自组装形成 Gel1，以及依赖于酶促产生的碱性 NH3 和 kosmotropic 离子（NH4+ 和CO32-）的从 Gel1 到溶液再到 Gel2 的转变过程；c）典型的样品展示了动态凝胶-溶液-凝胶转变过程，以及 Gel1 和 Gel2 的透射电镜（TEM）图像。样品参数：初始pH = 5.0，[3a] = 60 mM，[尿素] = 1.0 M，[脲酶] = 0.16 mg/mL，[溴甲酚紫] = 50 μM（pH指示剂）。

图2.凝胶化剂3b的自组装由 kosmotropic 阴离子驱动。a）在不同阴离子存在下的水凝胶化图；b）共聚焦显微镜图像显示凝胶化剂3b的自组装结构，[3b] = 30 mM；c）在不同阴离子存在下3b的临界聚集浓度（CAC），N.D.表示未检测到；d）在不同 [CO32-] 存在下凝胶化剂3b的FTIR光谱；e）在不同阴离子存在下凝胶化剂3b的FTIR光谱；f）在不同 [CO32-] 存在下凝胶化剂3b的圆二色光谱（CD）；g）在不同阴离子存在下凝胶化剂3b的CD光谱，[3b] = 5 mM。除非另有说明，[盐] = 1.0 M，[3b] = 60 mM，pH = 8.0。

图3.霍夫迈斯特效应介导的3b自组装的机制研究。a）在不同 [CO32-] 下3b中甘氨酸亚甲基的1H NMR谱，pD = 8.0；b）在不同阴离子浓度下3b中甘氨酸亚甲基的1H NMR化学位移；c）在SO42-、SCN-和SO42- + SCN-存在下3b的水凝胶化行为的照片；d）低场1H NMR谱显示凝胶化剂3b、Gel1和Gel2的水物种；e）通过CO32-的扩散和添加SCN-触发Gel2的解体，用于控制释放模型药物溴甲酚紫（2.0 mM），误差条表示三次独立实验的标准差。样品：[3b] = 15 mM（a, b），60 mM（c-e）；除非另有说明，[盐] = 1.0 M。

图4.霍夫迈斯特效应介导的动态凝胶-溶液-凝胶转变。a）脲酶触发的随时间变化的凝胶-溶液-凝胶转变过程，使用50 μM溴甲酚紫作为pH指示剂；b）时间扫描流变测试显示动态凝胶-溶液-凝胶转变过程；c）不同[脲酶]下Gel2的刚度和转变时间。样品：初始pH = 5.0，[3a] = 60 mM，[尿素] = 1.0 M，[脲酶] = 0.16 mg/mL。

图5.动态凝胶-溶液-凝胶转变过程的机制洞察。a）原位共聚焦显微镜观察的实验装置；b）共聚焦图像显示水凝胶网络的动态演变过程；c）时间依赖的FTIR光谱探测凝胶化剂3的分子结构和分子间相互作用的动态演变。样品：初始pH = 5.0，[3a] = 60 mM，[尿素] = 1.0 M，[脲酶] = 0.16 mg/mL。

来源：荧光超分子科学