带相反电荷聚电解质网络相分离形成共凝聚体的溶剂效应：揭示生物凝聚体形成新机制

本研究通过流体粒子动力学模拟结合静电和流体力学相互作用，揭示了带相反电荷聚电解质(PEs)在溶剂中形成网络状共凝聚体的新机制。研究发现从均匀混合态出发时PEs会自发形成空间跨越网络而非传统液滴，其粗化遵循独特增长规律l≈t1/2。该发现挑战了传统共凝聚体形成理论，为理解生物膜无细胞器形成和开发响应性材料提供了新视角。

　　

在生命科学和材料科学领域，带相反电荷聚电解质(PEs)形成的共凝聚体(PEC)现象一直备受关注。传统观点认为这类相分离会形成球形液滴，其生长动力学类似于普通的液-液相分离(LLPS)。然而，越来越多的实验观察到多孔网络结构的形成，这种差异背后的物理机制始终未明。更关键的是，共凝聚体作为生物细胞中无膜细胞器的重要模型，其形态演变和动力学特性直接影响着生物大分子的分区和功能调控。

针对这一科学难题，香港科技大学和东京大学的研究团队在《Nature Communications》发表了突破性研究成果。通过创新的流体粒子动力学(FPD)模拟方法，研究人员首次揭示了带相反电荷PEs在溶剂中形成网络状共凝聚体的全新机制。这项研究不仅挑战了传统认知，还为理解生物凝聚体形成和设计新型功能材料提供了重要理论基础。

研究采用了多尺度模拟策略：1) 开发了整合静电和流体力学相互作用(HI)的粗粒度PE模型；2) 采用流体粒子动力学方法精确模拟半稀溶液中PEs的相分离过程；3) 通过结构因子分析和特征波长演化定量表征相分离动力学；4) 比较布朗动力学(BD)与FPD模拟结果验证流体力学效应；5) 系统考察电荷对称性(N_c=N_a=40)与不对称性(N_c=50,N_a=30)条件下的相行为差异。

网络形成与粗化动力学：研究发现从完全混合态出发时，即使在半稀溶液(体积分数φ?1%)中，带相反电荷PEs也会自发形成空间跨越网络结构。与传统的液滴状相分离不同，这种网络结构的粗化遵循独特的幂律增长规律～t^-1/2。这种自相似性源于良好溶剂中PEs的弱长程吸引作用，导致富PEs相密度较低且界面张力减小。

电荷不对称效应：当PEs电荷不对称性增加时，网络表面净电荷积累导致粗化速度显著减慢。电荷对称条件下网络粗化由机械弛豫控制，而电荷不对称时则转变为静电主导的动力学减速机制。这种电荷依赖的调控为设计稳定网络材料提供了新思路。

形态转变与溶剂效应：研究发现了由体积分数控制的形态转变，在φ=1.2%时形成互连网络，而φ=0.6%时则形成不规则簇状液滴。值得注意的是，良好溶剂中形成的共凝聚体液滴呈现持久的不规则形状，这与传统LLPS的球形液滴形成鲜明对比。即使在不良溶剂条件下，网络形成的幂律粗化和电荷不对称诱导的动力学减速等关键特征依然存在。

研究通过分析反离子和单体分布(图3,4)揭示了电荷中和的微观机制。在电荷对称条件下，多阳离子和多阴离子单体呈现对称分布；而电荷不对称时，网络外表面会出现主导净电荷以维持局部电中性。这种空间电荷不均匀性正是弱界面张力和不规则液滴形态的根源。

这项研究的重要意义在于：首先，提出了"粘弹性相分离"(VPS)是网络状共凝聚体形成的普适机制，突破了传统LLPS理论的局限；其次，揭示了电荷不对称性可调控网络稳定性，为设计机械稳定的生物凝聚体提供了理论指导；再者，解释了实验观察到的非球形液滴现象，指出其源于弱界面张力和电荷空间不均匀性；最后，建立了一套完整的相分离动力学理论框架，包括网络粗化的幂律标度关系和动力学减速的静电起源。

该成果不仅解决了共凝聚体形态选择的长期争议，还为理解细胞内无膜细胞器的形成机制提供了新视角。特别是对微管结合蛋白Tau等生物分子的液-液相分离过程具有重要启示。在材料应用方面，研究提出的通过初始混合状态和电荷不对称性调控网络结构的方法，为开发新型多孔材料和药物递送系统开辟了新途径。

这项研究通过精妙的模拟设计和深入的理论分析，重新定义了我们对聚电解质相分离的认识，将共凝聚体研究推向了一个新的高度。未来研究可进一步探索水合效应、局部溶剂有序化等微观因素对共凝聚体性质的影响，以及更复杂生物分子系统的相行为规律。