形状记忆聚合物能够在热、光、电或磁等刺激下由临时形状恢复至永久形状，在软体机器人和生物医学等领域具有应用潜力。然而，其发展受限于单一循环中可编程形状数量有限。实现多重形状记忆通常依赖复杂的化学结构设计，引入多个转变域，增加了合成与加工难度。尽管可通过拓宽玻璃化转变区间提升均聚物的多形状记忆能力，但相关研究仍较少。自然界中广泛存在的α-螺旋结构因其独特的理化特性，可在多级结构层面实现有序组织，并有助于提升材料性能，通过调控材料的二级和三级结构，有望在不改变化学组成的情况下实现多重形状记忆行为。

图1. 聚氨基酸的形状记忆机制和形状记忆过程示意图

  在本研究中，作者通过结合NCA开环聚合与溶液浇铸法，制备了具有可编程α-螺旋结构的均聚氨基酸薄膜，实现了多重形状记忆行为。螺旋聚氨基酸链段表现出优异的热稳定性，从而形成宽广的玻璃化转变区间及特定的晶格转变过程。这两种连续且对热响应的转变机制——玻璃化转变与晶格转变——协同作用，使材料能够实现至少六种热驱动形状的可编程多重形状记忆行为。此外，非共价相互作用以及螺旋聚氨基酸内在的自组装特性赋予薄膜良好的修复能力。本研究推动了聚氨基酸基智能材料领域的发展，并为新一代智能材料的设计提供了新的策略，为其在生物医学及相关领域的应用奠定了基础。

  2026年2月25日，该工作以“Programmable α?Helices Enable Multiple Shape Memory in Peptides”为题发表在Macromolecules上。宁波大学陈重一教授课题组硕士研究生魏坤鹏为该论文第一作者，陈重一教授为唯一通讯作者。

图2. 聚氨基酸膜中螺旋结构的热性能

  在既往研究中，作者团队发现α-螺旋结构在水溶液中稳定性较低，升温过程中部分螺旋会发生解螺旋并转变为无规卷曲构象。为探究聚氨基酸薄膜在加热条件下螺旋结构的演变行为，作者开展了一系列原位变温表征实验。结果表明，在整个测试温度范围内，L-聚氨基酸的α-螺旋构象保持稳定，未发生不同二级结构之间的相互转变。值得注意的是，与无规卷曲聚氨基酸相比，螺旋聚氨基酸表现出更优异的热稳定性。

图3. 聚氨基酸膜的微观结构

  为进一步探究螺旋结构对形状记忆行为的影响，作者采用变温WAXD研究聚氨基酸膜的微观结构演变。结果表明L-聚氨基酸膜中的棒状α-螺旋有序堆积形成六方晶格结构，温度升高侧链运动增强削弱了结构不对称性，使晶格由Form B转变为近似六方排列的Form B′，且该过程在测试温度范围内随温度变化可逆进行。这种可逆晶格转变为材料赋予了形状记忆性能。相比之下DL-聚氨基酸未表现出有序衍射结构及可逆晶格转变，因此不具备高温形状记忆行为。

图4. 聚氨基酸膜的形状记忆行为和修复功能

  通过循环折叠实验评估了L-聚氨基酸膜的形状记忆性能，五次循环中形状固定率和回复率均高于95%。同时，材料在单一循环中可实现分阶段回复，成功编程并依次释放多个临时形状，体现出显著的多重形状记忆能力。此外，薄膜在人体体温下亦可实现形状恢复。得益于丰富的非共价相互作用，L-聚氨基酸膜还具备良好的修复性能，在溶剂作用下受损区域可实现结构重排与愈合，修复后力学性能基本恢复至原始水平。

  原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.5c03338