原位SHG显微技术揭示二肽水凝胶中隐藏的凝胶态转变机制及其功能调控意义

本研究通过结合传统表征技术与原位二次谐波显微成像（SHG），首次揭示了FmocFF/BPE水凝胶中从动力学捕获态向热力学稳定态的"凝胶-凝胶"转变过程，发现其可形成具有三轴对称螺旋微纤维的新型"凝胶态多晶型（gelmorphs）"，为动态调控生物材料力学性能和结构对称性提供了新范式。

　　

在分子自组装领域，肽基水凝胶因其优异的生物相容性和可调控的力学性能，已成为组织工程和药物递送的重要材料。其中Fmoc-二苯丙氨酸（FmocFF）作为经典凝胶因子，其快速自组装形成的β-折叠纳米纤维网络虽被广泛研究，但关于凝胶形成后的动态演化过程仍存在认知空白。传统观点认为初始形成的凝胶即为终态，但比利时鲁汶大学的研究团队通过《Journal of Colloid and Interface Science》发表的研究颠覆了这一认知——他们发现这些凝胶可能经历类似蛋白质构象变化的"凝胶态多晶型"转变，这种隐藏的动态过程或能解锁材料性能调控的新维度。

为捕捉这一微妙转变，研究人员创新性地采用非标记、非侵入的原位二次谐波显微技术（Second Harmonic Generation microscopy, SHG）。该技术利用非中心对称材料（如手性结构）的双光子非线性光学效应，不仅能三维可视化含水凝胶的真实结构，还可通过偏振测量解析纤维的螺旋节距和局部对称性。结合扫描电镜（SEM）、粉末X射线衍射（PXRD）等传统方法，系统研究了FmocFF与1,2-二(4-吡啶基)乙烯（BPE）共组装体系在温度/浓度扰动下的动态演变。

关键实验方法
研究以1:1摩尔比的FmocFF/BPE（GEL）为模型体系，通过DMSO/水溶液共组装制备透明凝胶。采用原位SHG显微镜实时监测凝胶微观结构变化，结合SEM观察干燥样品的形貌演化，通过PXRD分析晶体结构转变，并利用圆二色谱（CD）和振动光谱追踪分子手性变化。所有湿态实验均在生理温度范围内（25-60°C）进行，确保生物学相关性。

主要研究发现

1. 隐藏的凝胶态转变现象
   初始透明凝胶（GEL@RT）的SEM显示典型纳米纤维网络，而60°C处理后（GEL@60）出现直径增大10倍的螺旋微纤维。SHG成像首次捕捉到这种"纳米纤维束化"的动态过程，证实其伴随三轴对称性增强和SHG信号强度提升，表明形成了更有序的超分子结构。

2. 结构-性能关联机制
   PXRD揭示转变后出现新的衍射峰（d=1.3 nm），对应更紧密的分子堆积。流变学测试显示储能模量（G'）提升3倍，证明热力学稳定态具有更强机械性能。CD谱证明分子手性在转变过程中被放大，与SHG检测到的宏观螺旋性高度吻合。

3. SHG技术的独特优势
   与传统荧光显微技术相比，SHG无需荧光标记即可实现亚微米级分辨率成像，特别在追踪螺旋节距（~2.5 μm）和局域对称性变化方面具有不可替代性。偏振依赖实验进一步证实微纤维具有非中心对称的C₃旋转对称性。

结论与展望
该研究不仅证实了肽基水凝胶存在多步组装路径——从溶液经亚稳态凝胶最终形成热力学稳定态，更重要的是建立了SHG显微技术作为研究超分子动态转变的新标准。发现的"凝胶态多晶型"现象为理解阿尔茨海默病相关β-淀粉样蛋白聚集提供了新视角，同时为设计具有可编程力学性能的生物支架、各向异性光电材料开辟了新途径。这种将非线性光学技术与软物质研究相结合的范式，有望推动下一代功能性生物材料的理性设计。