中科院化学所王健君研究员和国科大周昕教授团队：模板辅助的冷冻组装策略制备全尺寸层级结构可调的自支撑纳米材料

天然材料具有的复杂可调的层级结构，赋予了它们优异的力学、生物等性能。因此，一种可以调控分子单元在多个尺度进行可控组装的策略一直是科研人员所追求的。中国科学院化学研究所王健君研究员和中国科学院大学周昕教授团队利用模板辅助的冷冻组装策略成功制备了在分子堆积结构、纳米及微米形貌与宏观结构等各个层级均可协同独立调控的自支撑纳米材料，该策略不仅适用于天然高分子，还适用于人工合成的小分子及导电共轭聚合物。此外，所制备的层级材料展现出了可调的物理化学及生物性质，可以有效地调控细胞的粘附与增殖，这对于发展具有可定制性能的组织工程支架材料是十分必要的。

经过数百万年的进化，生命系统能够将有限的组装单元受控组装形成具有层级结构的功能性材料。这些材料通常具有优异的性能，这主要归因于其具有独特的层级结构。例如，蚕、蜘蛛等可以将丝素蛋白组装成具有高韧性的丝素材料，其具有可控的分子堆积结构，可调的纤维宽度，以及可控的宏观形貌等。自然界的策略为制造具有不同结构和功能的人工材料提供了灵感，然而这些天然材料的形成通常需要复杂且精密的生命系统，这限制了天然材料的种类及应用领域。因此，人们迫切希望找到新的可行方法，可以将组装单元精确组装在理想时空位置，从而获得具有可定制功能的多尺度先进材料。

到目前为止，通过组织组装单元来制备材料的策略已广泛应用于金属、非金属和生物材料的制造。为了提高材料的性能，理想的策略在组装过程中需要能够对组装单元的物理或化学转变进行显著控制，包括分子堆积、纳米聚集结构、微观形貌和宏观结构等。诸如3D打印和可控去浸润等各种策略，虽然可以用于制造不同的结构，但对分子组装或结构精度的时空控制还远远不能令人满意。

最近，中国科学院化学研究所王健君研究员和中国科学院大学周昕教授团队基于前期工作中建立的可控溶剂晶体重结晶控制溶质分子组装过程的策略（Angew Chem Int Ed, 2020, 59, 15141-15146），进一步地提出在模板辅助作用下利用冷冻组装策略实现了溶质分子从分子堆积结构、纳米纤维、微观图案与宏观结构的协同独立控制。获得的层级材料不仅是纳米级厚度的自支撑薄膜，同时也具有可控的纳米线宽，可定制的微观图案，以及连续可调的分子堆积结构。该策略不仅适用于天然高分子，如丝素蛋白，也适用于小分子体系及人工合成高分子，这为制备层级结构可调的材料提供了新的思路（图1）。

图1. 模板辅助的冷冻组装策略制备的层级结构可调的材料

作者通过光刻制备了一系列具有不同微观形貌的模板，通过控制冰晶在微图案化的模板上的重结晶，得到具有特定微观图案的单晶冰阵列，溶质分子（以丝素蛋白分子为例）可以在冰晶晶界之间（模板处）组装并形成相应的微观形貌（图2a-c）；进一步地，通过控制冷冻组装的温度及温度变化率，可以分别独立地调控组装的纳米纤维的宽度以及分子堆积结构（图2d-h），进而实现从分子堆积结构到纳米/微米形貌到宏观结构的各个层级的有效控制。

图2. 模板辅助冷冻组装策略的机理及丝素蛋白（SF）层级结构

进一步的研究发现，具有可调层级结构的丝素蛋白材料，具有可调的力学性能（图2i）、可控的生物降解性（图3b），同时体外细胞实现表明，具有不同分子堆积结构的丝素蛋白材料可以调控细胞在支架上的粘附与增殖行为，这对于发展合适的生物组织工程材料是十分必要的（图3c-e）。

图3. 各种天然蛋白质的层级结构支架材料及其生物性质

此外，模板辅助冷冻组装策略对于小分子（如苯丙氨酸二肽）及导电共轭聚合物（如PEDOT:PSS）同样适用，可以得到无定形和结晶的苯丙氨酸二肽的层级结构（图4a-c），也可以组装出分子链排列规整的PEDOT:PSS图案化纳米材料（图4d-f），这有望在生物检测、电子器件等领域获得广泛应用。

图4. 功能分子的多级可控组装制备人工分级材料

综上，作者基于模板辅助的冷冻组装策略，制备出具有可调层级结构的支架材料。所构建的丝素蛋白支架材料展现出了可调的物理化学及生物性能，这对于发展可定制的生物支架材料是十分必要的。同时，该策略还适用于小分子及人工合成高分子，因而可丰富材料结构与性能。

论文第一作者为中国科学院化学研究所博士生毛俊强，通讯作者为中国科学院化学研究所王健君研究员、范庆瑞博士后和中国科学院大学周昕教授。详见：Junqiang Mao, Huimei Cao, Jie Liu, Xin Zhou*, Qingrui Fan*, Jianjun Wang*. Templated freezing assembly precisely regulates molecular assembly for free-standing centimeter-scale microtextured nanofilms. Sci. China Chem., 2023, doi: 10.1007/s11426-022-1476-y.

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【通讯作者简介】

王健君，中国科学院化学研究所研究员，博士生导师。1999年获华东理工大学学士学位；2002年获华东理工大学硕士学位；2006年获德国美因茨大学博士学位；2007年5月担任德国马普高分子所课题组长；2010年2月在中国科学院化学研究所工作，任研究员/课题组长。主要研究方向为冰晶形成分子机制研究、控冰新材料的创制并应用于防覆冰涂层与细胞、组织和器官的低温保存等领域。

周昕，中国科学院大学物理科学学院，教授，博士生导师。2001年获中科院理论物理所博士，后在日本、德国、美国、韩国著名研究机构工作及担任研究组负责人，2011年海外引进人才回国。研究方向为统计物理、软物质与生物物理、计算物理等，在发展多尺度建模和模拟技术研究蛋白质大尺度变构，与试验合作研究水结冰相变微观机制等方面取得显著成绩，在Nature、JACS 等国际顶级期刊发表论文80余篇。

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