基于超拥挤烯烃开关两亲分子的光驱动自恢复人工肌肉：动态组装机制与功能放大研究

研究人员针对分子运动跨尺度放大与可控组装转化的关键科学问题，开展了基于超拥挤烯烃衍生的开关两亲分子（SA）构建光响应人工肌肉的研究。通过设计热稳定的光开关两亲分子，实现了从分子异构化到宏观肌肉样运动的精准调控，首次观察到无外源干预的自恢复现象，揭示了动态组装过程与宏观驱动功能的关联机制。该研究为开发新型智能软材料提供了分子动态组装的新视角，在组织工程和软机器人领域具有重要应用潜力。

　　

在自然界中，肌肉组织的精妙运作依赖于肌动蛋白丝和肌球蛋白马达的协同运动，这种将分子尺度运动转化为宏观功能的机制一直启发着科学家们设计人工肌肉系统。然而，如何实现分子运动的跨尺度放大并保持可控性，仍是软材料领域面临的重大挑战。传统基于分子马达两亲分子（MA）的人工肌肉存在热螺旋反转（THI）导致的复杂动力学过程，且恢复过程需要外部能量输入，严重限制了其实际应用。

荷兰格罗宁根大学Ben L. Feringa团队在《Nature Communications》发表的研究中，通过将分子马达核心改造为超拥挤烯烃衍生的开关核心（SA），成功开发出具有自恢复功能的光驱动人工肌肉系统。研究团队采用紫外-可见光谱（UV-Vis）、核磁共振（¹H NMR）验证了SA的光异构化特性，通过临界聚集浓度测定（CAC）、低温透射电镜（cryo-TEM）和小角X射线散射（SAXS）解析了从纳米纤维到宏观肌肉的多级组装结构，并利用偏振光学显微镜（POM）和原位荧光监测揭示了动态组装与宏观运动的关联机制。

分子设计与异构化特性
研究设计了一种对称结构的开关两亲分子（SA），其核心去除了MA中α位的甲基。通过不对称双甲氧基开关（BMS）模型证实，该核心在365 nm光照下可实现E→Z异构化（PSS₃₆₅达54:46），且Z构型在室温下保持热稳定性。SA钠盐溶液（70 μM）在光照后荧光发射峰从412 nm红移至486 nm，cryo-TEM显示球状胶束向蠕虫状胶束的转化，证实了光触发组装重构。

多级组装结构调控
SA（60 mM）在二价金属离子（Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺）存在下通过剪切流动法形成宏观肌肉纤维。SAXS显示SA-Ca²⁺具有最小层间距（d₀₀₁=5.75 nm），而SA-Ba²⁺的排列度最低（FWHM=76°）。不同于MA系统，SA-Ba²⁺因松散组装结构展现出最快光驱动速度（3.1±0.2°/s），表明界面堆积密度成为主导因素。

自恢复机制解析
SA-Ca²⁺肌肉弯曲后在暗处48小时自发恢复初始形态。原位SAXS显示光照后（001）晶面强度下降（FWHM从117°降至106°），老化过程中重组装完成。这种自恢复源于SA的高热稳定性消除了分子运动干扰，使光致非平衡态组装重新回归热力学平衡态，与MA需50℃加热恢复形成鲜明对比。

该研究首次通过分子开关设计实现了人工肌肉的自恢复功能，揭示了组装密度与排列度对运动放大的分级调控规律。SA系统特有的动态组装特性为理解生物分子机器的工作机制提供了新模型，其水凝胶特性（含95%水）和精确可控性在干细胞培养支架和微创医疗设备中展现出独特优势。这项工作不仅拓展了光响应超分子材料的分子工具箱，更为开发具有环境自适应能力的下一代软机器人材料奠定了科学基础。