本研究报告了基于计算机模拟（in silico）设计具有可控结构和流变学特性的光响应肽基水凝胶的研究。该研究由来自中国石油大学（华东）材料科学与工程学院的Xiao Wang、Yining Wang、Junfeng Wang、Zhen Li、Jun Zhang以及中国科学院海洋研究所海洋环境腐蚀与生物污损重点实验室的Jiawei Li共同完成。这项研究成果于2023年1月21日在Elsevier B.V.旗下的期刊《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》上在线发表。

一、研究背景与目标

自组装（self-assembly）肽基分子因其优异的生物相容性（biocompatibility）和生物可降解性（biodegradability）而成为开发智能纳米材料的一种极具吸引力的策略。通过调控短肽之间的非共价相互作用，可以形成如纳米带、纳米线、纳米管等多种纳米结构。然而，如何设计具有可控且可逆的流变学性质（rheological property）的自组装系统，仍然是该领域面临的一项挑战。在众多环境刺激响应中，光响应因其时空可控性和非侵入性等独特优点而备受关注。偶氮苯（azobenzene, azo）及其衍生物由于其优异的光异构化（photoisomerization）特性，成为实现肽基水凝胶光刺激响应能力最常用的功能性基团（moiety）。尽管实验研究已证实相关策略的有效性，但阐明其构效关系（structure-activity relationship）仍存在困难。因此，本研究采用粗粒化分子动力学（coarse-grained molecular dynamics, CGMD）模拟作为实验研究的重要补充手段，旨在解决这一难题。

本研究的目标是利用CGMD模拟，开发一种具有光刺激响应能力的肽基水凝胶。具体而言，研究旨在通过模拟阐明一种含偶氮苯的肽类分子（bisazofa）与二苯丙氨酸（diphenylalanine, FF）的共组装行为，探究通过调控光照和组分比例来实现对自组装结构和体系粘度（viscosity）的精确控制，并从能量和结构的角度阐明其背后的自组装和刺激响应机制。

二、研究工作流程与方法

该研究完全基于计算机模拟，其详细工作流程可分为四个主要步骤：模型构建与参数设置、自组装过程模拟、光响应过程模拟以及数据分析。

1. 模型构建与参数设置： 研究选取了两种关键分子作为研究对象。第一种是二苯丙氨酸（FF），它是一种被广泛研究的多肽构建单元（building block）。第二种是通过将偶氮苯基团（azo moiety）接枝到苯丙氨酰-丙氨酸（phenylalanyl-alanine, FA）上而得到的bisazofa分子。为了模拟bisazofa分子的光异构化过程，研究者分别在模拟中采用了对应于可见光和紫外光照射下的两种不同分子构象，即通过改变偶氮苯基团中特定角度（sc4-n0-sc4）的弯曲势能（angle bending potential），将其在180°和60°之间切换。 所有模拟均采用Martini粗粒化力场（Martini force field, 版本2.2）来描述体系内的原子间相互作用。在该力场参数化方案下，FF的主链被粗粒化（coarse-grained）为一个带正电的珠子（bead）和一个带负电的珠子，其侧链苯环则由三个SC4珠子表示。bisazofa分子的偶氮苯部分由六个SC4珠子与一个N0珠子构建，其亲水侧链则用带电珠子模拟。溶剂水珠子（P4）对应于四个水分子。

2. 自组装过程模拟： 所有模拟均使用GROMACS软件包（版本2019.6）进行。模拟系统由Packmol软件生成，分子被随机放置在质量分数为5%的水中，模拟盒子大小为30×30×30 nm³。在能量最小化后，每个模拟体系在等温-等压（NPT）系综下运行4微秒（μs），时间步长设为20飞秒（fs）。温度通过v-rescale恒温器维持在310K，压力通过Parrinello-Rahman恒压器耦合在1个大气压。研究首先考察了bisazofa分子的单独自组装过程，随后研究了在不同的bisazofa与FF质量比（8:1, 6:1, 4:1）下的共组装行为。

3. 光响应与可逆性模拟： 为验证体系的光刺激响应能力和可逆性，研究者以前一步模拟的最后一帧构象作为初始结构，模拟了在不同光刺激下的刺激响应过程。通过改变bisazofa分子的构象（模拟可见光与紫外光照射），观察自组装结构的转变。此过程被重复多次，以验证模拟的可靠性。

4. 数据分析方法： 为定量分析自组装和刺激响应过程，研究采用了多种分析方法。溶剂可及表面积（solvent accessible surface area, SASA）分数通过与初始状态比较进行计算；分子间的接触数（contact number）通过设定0.65纳米的临界距离定义；胶束（micelle）数量的变化则以0.7纳米作为界定胶束的截断距离。体系平衡后，使用最后500纳秒的轨迹分析不同分子间芳环的夹角。此外，研究还采用集成在GROMACS中的经典周期性扰动方法（periodic perturbation method, PPM）来计算体系粘度，该方法通过对模拟盒子施加外力并测量系统动量波动来实现。自由能全景图（free energy landscapes, FEL）和堆积模式概率分布也被用于深入探究分子间相互作用的机制。模拟结果使用VMD软件进行可视化和渲染。

三、主要研究结果

研究结果清晰地展示了自组装结构如何受FF比例和光照调控，以及结构变化如何影响体系粘度。

1. FF对bisazofa自组装的影响：

   • 纯bisazofa体系：在模拟初期（0.1微秒），bisazofa分子首先聚集形成小的簇（clusters）。随后在1微秒时形成短小的线性胶束（linear micelles）。到2微秒时，这些短线性胶束融合形成最终的扭曲网络（twisted networks）结构。整个过程经历了“分子-簇-线性胶束-凝胶网络”的转变。
   • bisazofa-FF共组装体系：随着FF比例的增加，胶束经历了从网络到层状结构（lamellar structures）的形态转变。簇数量的定量分析支持了这一观察，随着FF增加，体系最终平衡时的簇数量增多，对应于从整体网络到相对离散的层状胶束的转变。
   • 分子层面结构分析：在纯bisazofa网络中，为减少疏水部分与溶剂的不利接触，形成了扭转的自组装单层。在结构边缘，垂直自组装与正交自组装的结合有助于最小化体系自由能。当引入FF后，FF分子填充到自组装体的疏水部分，形成了更致密的层状结构。数据表明，在共组装体系中，FF与FF之间的接触数高于bisazofa与FF的接触数，显示了FF分子存在自聚集行为，类似于膜中的脂筏（lipid rafts）结构域。SASA分数的分析进一步证实，自组装主要由疏水相互作用驱动，FF的加入减少了bisazofa亲水链段与溶剂的接触，从而形成了更致密的层状胶束。

2. 自组装体系的光响应性与可逆性：

   • 在紫外光照射下，层状胶束会发生形态转变，变为网络结构。可见光照射下则相反。根据FF比例和光照条件，体系可形成三种不同的结构：不规则蠕虫状胶束（wormlike micelles）、有序蠕虫状胶束和层状胶束。
   • 在紫外光下，随着FF比例增加，网络的交联程度提高。而在有序线形蠕虫状胶束中则很少观察到交联结构。这种结构差异预示着体系力学性能的潜在变化。
   • 接触数与SASA分数的分析表明，在紫外光诱导的从层状到网络的形态转变中，FF分子间的相互作用显著增强。这是因为结构曲率的改变迫使FF分子重新进行空间排列（spatial rearrangement），且光致结构变化越大，FF-FF相互作用越强。
   • 径向分布函数g®的分析显示，在紫外光照射下，纯bisazofa体系中偶氮-偶氮基团之间的g®峰值显著增高，对应于形成了具有有序排列疏水内核的线性蠕虫状胶束。这是因为带有特定弯曲角度的bisazofa分子更容易通过形成线性蠕虫状结构来屏蔽其疏水部分，导致偶氮基团紧密堆积。随着FF的引入，紫外光下的g®峰值降低，表明蠕虫状胶束的有序度下降，并出现交联点。

3. 光响应共组装体系的流变学性质： 粘度计算结果显示，纯bisazofa体系的粘度在紫外光照射后显著降低。相反，加入FF后，体系在紫外光下的粘度得到了增强，且FF比例越高，紫外光照射下的粘度越高。研究表明，这一现象与微观结构直接相关。纯bisazofa体系中，扭曲交联的网络比有序蠕虫结构拥有更多的交联点，因此粘度更高，紫外光照导致结构解交联，粘度下降。而在共组装体系中，紫外光照导致层状结构转变为网络结构，交联点增加，因此粘度升高。FF比例越高，这种光致结构变化越剧烈，粘度变化也越显著。这证明通过该策略可以有效操控光敏水凝胶的流变学性质。

4. 自组装结构变化的机理： 自由能全景图（FEL）分析揭示了能量最低点所在，为了解分子间相互作用提供了热力学视角。在可见光下，随着FF比例增加，bisazofa之间的能量最小盆地变浅，而bisazofa-FF和FF-FF之间的能量最小盆地变深，这解释了FF分子在层状胶束中聚集的趋势。紫外光照射会导致bisazofa-FF的能量最小盆地变浅，对应于刺激响应过程中聚集的FF分子发生解离。 对芳环堆积模式的量化分析表明，无FF时，bisazofa分子主要以垂直堆积（perpendicular stacking）模式存在。FF的加入使平行堆积（parallel stacking）的概率逐渐增加。紫外光导致bisazofa异构化后，分子更倾向于平行和鱼骨形堆积（herringbone stacking），有序网络也因此形成。而当FF存在时，bisazofa的三种堆积模式概率相近，难以形成层状结构。有趣的是，bisazofa-FF和FF-FF的堆积模式受光照和浓度影响有限。因此，自组装结构的转变主要由bisazofa分子间堆积模式的改变以及FF分子的空间排布所驱动。

四、研究结论与价值

本研究的核心结论是通过CGMD方法，成功提出了一种开发具有目标特性（如可控和可逆粘度）的光响应水凝胶的计算方案。通过调控bisazofa-FF的质量比和紫外-可见光照射，可以得到有序/不规则蠕虫状结构和层状结构，且这些不同的自组装结构会表现出截然不同的粘度。研究从能量和结构的角度阐明了其机理，即光诱导的自组装结构变化主要源于bisazofa分子间堆积模式的改变以及FF分子的空间排列。

五、研究亮点与意义

本研究的主要亮点在于完全通过计算机模拟设计，提出了一套开发智能水凝胶的策略，这在实验研究之外提供了一种高效、互补的理性设计途径。其新颖性体现在将光响应基团与短肽共组装体系相结合，不仅实现了对自组装形貌多维度（组分比例、光照）的精确控制，还建立了微观结构（网络、层状、蠕虫状）与宏观性质（粘度）之间的直接关联。研究的价值体现在多个层面：在科学价值上，它从分子层面厘清了含偶氮苯多肽的自组装/光响应机制，特别是堆积模式和空间排列的决定性作用，加深了对多肽共组装行为的理解。在应用价值上，该研究为设计具有定制化流变学性能的智能水凝胶提供了切实可行的计算模拟策略，对组织工程、药物可控递送、传感器等生物医学和环境领域的材料理性设计与优化具有重要的指导意义。例如，通过光子调控实现凝胶的溶胶-凝胶转变，可应用于可注射材料或手术缝合支撑材料的设计。