蛋白质凝胶因其优异的生物相容性、生物可降解性以及原料来源丰富，近年来在多种应用领域展现出广阔前景。然而，传统蛋白质凝胶普遍存在强度、刚度及韧性不足的问题，其主要源于凝胶网络中存在的大量常规溶剂通常会弱化交联网络结构。为克服这一限制，本文提出了一种新型策略，即采用含有可调氢键供体（HBD）的深共晶溶剂（DES）作为分散介质，构建具有高强度、高刚度和优异韧性的蛋白质凝胶。该DES体系不仅增强了蛋白质链间的相互作用，同时通过蛋白质链与溶剂之间的非共价作用，在分子间构建起丰富而可调的交联网络。更为关键的是，这些交联结构可通过调控HBD类型进一步优化，从而实现对凝胶韧性的精准调节。由于蛋白链-链及蛋白链-溶剂协同作用，所得蛋白共晶凝胶在力学性能方面表现出显著优势，其拉伸强度为10.25±1.28 MPa，拉伸应变达892.51±39.66%，弹性模量为24.57±0.27 MPa，韧性为17.34±0.46 MJ·m^-3，断裂能为6.76±0.99 kJ·m^-2，均优于目前已有报道的蛋白质基凝胶材料。值得注意的是，在力学性能大幅提升的同时，该类凝胶仍具有优良的粘附性、可回收性、环境耐受性以及完全可降解性等多种功能特性。本研究提出了一种构建兼具高韧性与多功能性的蛋白质凝胶的新策略，为其在对力学性能和功能特性有双重需求的前沿技术领域中的应用提供了重要支撑。文章第一作者为李云峰，文章通讯作者为秦志辉副教授、焦体峰教授、贺曦敏教授，文章通讯单位为燕山大学环境与化学工程学院、加州大学洛杉矶分校。

  蛋白质凝胶因其优异的生物相容性、可降解性及可持续性，在组织工程、柔性电子和软机器人领域备受关注。然而，传统蛋白质凝胶通常由松散的单交联网络构成，导致其机械性能差–表现为低强度、低刚度和低韧性，难以满足复杂负载场景的需求。此外，环境稳定性（如抗冻性）、抗断裂性和粘附性等性能的缺失，进一步限制了其实际应用范围。因此，开发机械强度高、硬度高、韧性强、多功能的蛋白质凝胶至关重要。近期研究通过调控蛋白链间的非共价相互作用，在构建高强度蛋白凝胶方面取得了一定的进展。然而，这些报道的蛋白质凝胶表现出有限的机械机械性能提高（弹性模量<0.5MPa，拉伸强度<5MPa，断裂能<1kJ m^?2）。这是因为溶剂作为分散介质在蛋白质凝胶体系中占据较大体积分数，通常被忽视，或被视为通过阻碍蛋白质链间相互作用而削弱凝胶力学性能的消极因素。传统溶剂往往通过与蛋白质链形成竞争性相互作用，使链间距离增大，进而削弱凝胶网络结构的稳定性。同时，凝胶网络中有效交联点数量有限，进一步限制了蛋白质凝胶同时实现高强度、高刚度与高韧性的能力。鉴于溶剂在蛋白质凝胶中所占比例巨大，若能设计使溶剂分子通过与蛋白质链之间的特异性非共价相互作用，连接起不同蛋白质链段，构建稳定且可调的交联结构，将有望显著增强凝胶的力学性能，从而突破传统蛋白质凝胶在力学性能方面的瓶颈。

【研究出发点】

  (1)通过引入含可调氢键供体（HBD）的深共晶溶剂（DES）作为分散介质，同时增强蛋白链间交联相互作用和利用溶剂交联蛋白质链，从而极大增强凝胶网络交联密度，研究溶剂作为增韧介质对蛋白凝胶交联结构演变的影响。

  (2)基于蛋白链-链剂蛋白-链溶剂的协同作用，详细研究其机械性能的增强增韧机制（拉伸强度、刚性、韧性、破裂韧性及结构稳定性性）；进一步研究具有可调氢键供体（HBD）的深共晶溶剂（DES）对力学性能的调控规律。

  (3)基于独特的交联结构及体系，研究及印证了明胶共晶凝胶的多功能性（防冻能力、可回收性和可完全降解性）；为了验证其实际应用潜力，评估了其作为柔性可穿戴传感器、柔性电极及承重材料的性能。

  采用溶剂置换法（图1），将明胶水凝胶浸入深共晶溶剂（如氯化胆碱-甘油），完成溶剂的完全置换，构建出明胶共晶凝胶。通过调控DES中氢键供体（HBD）的多羟基结构（如乙二醇甘油、木糖醇、山梨醇），溶剂分子不仅可以增强蛋白质链间作用，同时可作为"分子桥"连接不同的明胶链，形成明胶链-溶剂交联作用，所得凝胶展现出优异的透明度与承载能力。

图1.蛋白质凝胶（明胶共晶凝胶）的制备

  通过结构表征揭示了性能增强的分子机制（图2）： SEM及相关EDS图谱表明多孔的网络结构及DES组分（如氯元素）均匀嵌入明胶网络；FT-IR和Raman光谱证实证明共晶溶剂被引入并与明胶链形成氢键，同时促使了明胶链间作用的增强；为了更深入地了解明胶共晶凝胶的形成过程，进行了不同浸泡时间下明胶共晶凝胶的重量变化和FT-IR光谱分析，结果表明明胶凝胶中发生了快速的溶剂向外扩散，凝胶脱水，明胶链之间氢键强化，并且共晶溶剂与明胶之间形成多重氢键。更为重要的是，可以通过HBD羟基数量的调控明胶链-溶剂交联作用–当HBD从乙二醇转变至山梨醇时，氢键交联密度显著提升，凝胶网络更趋致密。

图2.明胶共晶凝胶的表征分析及增韧机制

  这种独特的明胶链-链及明胶链-蛋白协同作用有效地提高了水凝胶的力学性能（图3）：明胶含量由10 wt%增至20wt%时，拉伸强度由1.33 MPa提高至10.25 MPa，弹性模量由0.11 MPa 增加至 24.57 MPa；同时可通过调控HBD对凝胶力学性能进行有效调控，例如G₁₅/ChCl-（D-Sorbitol）凝胶分别表现出6.34 ± 0.76 MPa的拉伸强度和3.49 ± 0.35 MPa的弹性模量，以及保持15.51 ± 1.18 MJ·m^-3的高韧性和499.00 %的拉伸应变。总之，通过改变DES中的HBD和明胶含量，可以在很大范围内简单地定制明胶共晶凝胶的机械性能，包括拉伸强度0.53 ± 0.02至10.25 ± 1.28 MPa，弹性模量0.073 ± 0.002至24.57 ± 0.27 MPa，拉伸应变从200.80 ± 44.88到892.51 ± 39.66%，韧性从1.08 ± 0.12到17.34 ± 0.46 MJ·m^-3。与近期报道的代表性蛋白质基凝胶相比，本研究所构建的凝胶在拉伸强度和弹性模量方面表现出显著提升，其性能远超现有文献中已报道的蛋白质基凝胶材料。此外，循环拉伸实验验证了凝胶网络结构的可逆性。经过10次50%应变循环后，应力保持率仍高达94.38%，表明即使在部分交联点遭到破坏的情况下，凝胶网络仍具有良好的结构稳定性与优异的可恢复性能。

图3. 明胶共晶凝胶的可调节机械性能

  更为突出的是，明胶共晶凝胶具有优异的抗断裂性能（图4）：凝胶样品撕裂能可高达到3.94 ± 0.50 kJ·m^-2，含1mm缺口的样品可拉伸至400%应变而无裂纹扩展，断裂能高达6.46 kJ·m^-2（传统明胶水凝胶仅1.65 J·m^-2）。同时缺口试样在经历100次100%应变循环后仍无明显应力衰减（图4f-g），凸显了其在承重材料领域的应用潜力。

图4. 明胶共晶凝胶的抗裂纹扩展能力与抗疲劳性

  此外，完全物理交联的明胶共晶凝胶具有多重功能特性（图5）：首先，该凝胶具有优异的黏附特性，对PET、玻璃、铜等基材的多种基材均表现出强的黏附且可重复多达10次无明显粘附强度衰减，凝胶的粘性强度可通过调控HBD在17-93 kPa范围内进行调节；同时，深共晶溶剂的存在赋予该凝胶良好的环境稳定性，在-40℃极寒环境下仍保持535%伸长率，并且在常温放置30天后拉伸性能表现优异；该凝胶还可通过加热可实现回收再利用，重塑三次后仍保持600%的高拉伸应变和约3MPa的抗拉强度；此外，该凝胶可完全降解，水中72小时降解率高达94.78%，完美平衡力学强度与可持续性。

图5. 明胶共晶凝胶的粘附性能与可回收性能

  为了评估所制备明胶共晶凝胶的实际应用潜力（图6），他们利用甘油基明胶凝胶作为柔性电极成功捕获高精度心电信号（PQRST波形清晰），媲美商用Ag/AgCl电极；同时作为应变传感器，将其放置在不同部位记录运动信号，可以获得清晰且稳定的传感信号。而山梨醇基明胶凝胶作为软着陆器"肌腱"，能成功吸收100g物体18 cm自由落体冲击，证明了其在承重材料领域的应用潜力。

图6.明胶共晶凝胶的应用演示。

  综上所述，本研究以深共晶溶剂（DES）为分散介质，采用简单的溶剂置换策略，成功构建了一种基于明胶的强韧且耐用的蛋白质凝胶（即明胶共晶凝胶）。通过使用DES替代水相溶剂，显著增强了明胶分子链之间的相互作用，并在链间形成大量明胶链-溶剂交联结构，从而赋予凝胶优异的力学性能，包括高强度、高刚度、优异的韧性、出色的拉伸性和抗裂纹能力。此外，通过调节多元醇类氢键供体（HBDs）的种类，可有效调控明胶链与DES之间的氢键作用，实现对凝胶力学性能的定制。得益于这种可逆的交联网络结构，明胶共晶凝胶还表现出多种功能特性，如良好的粘附性、可回收性、抗冻性及可降解性。初步应用研究表明，该类多功能且结构坚固的明胶共晶凝胶在可穿戴传感器中具有良好的适配性，能够灵敏响应微小至剧烈的生物活动信号；同时，也展现出其作为软体机器人系统中承重结构部件的潜力。该研究为制备兼具高韧性、强度与多功能性的蛋白质基凝胶提供了一条可行路径，为其在需要定制化机械与结构特性的先进技术领域中的集成应用奠定了重要基础。

  【原文信息】

  Y. Li, Z. Qin, P. He, M. Si, L. Zhu, N. Li, X. Shi, G. Hao, T. Jiao, X. He, Fully Degradable Protein Gels with Superior Mechanical Properties and Durability: Regulation of Hydrogen Bond Donors. Adv. Mater. 2025, 2506577.

  https://doi.org/10.1002/adma.202506577