杂志俱乐部2013年5月主题:生物力学和仿生超分子组装

超分子组装是由简单的分子构建块组成的动态结构，由可逆(弱)分子间相互作用(如氢键)驱动，自组装成有层次组织的复合物。这种自下而上的材料合成方法在自然界中被用来制造耐缺陷、高功能的材料，这些材料表现出非凡的机械性能，这些性能来自于弱相互作用的平行簇，如氢键的共同作用。这种几何排列可以在稳定的生物分子组合中观察到，例如蜘蛛丝和淀粉样斑块(例如，参见早期杂志俱乐部关于蛋白质材料的条目)节点/ 2653）.

在这个期刊俱乐部中，我们重点介绍了我们对生物、生物分子和生物启发系统中超分子组装的理解的一些最新进展。弱键的力学行为是这一讨论的核心。弱键是可逆的，遵循不确定的动力学，它们的寿命取决于所施加载荷的大小、方向和速率，较高的载荷会导致更强的响应。力依赖的单垒动力学模型，如贝尔模型(G.I.贝尔，《科学》，1978)为讨论弱可逆键的断裂机制提供了一个方便的起点。这个简单的模型通常与蒙特卡罗(MC)技术结合使用，研究具有特定键网络结构的键簇的协同响应。它还有助于解释单分子原子力显微镜实验和蛋白质展开的分子动力学模拟，以及细胞粘附和运动实验。我们建议读者参考Ben Freund教授、高华健教授及其同事在各种边界条件下对分子键簇最佳尺寸的理论预测。这些研究表明，较大的键簇有利于键的可逆性，而单个键之间的非均匀负载分布则有利于小键簇［1]．此外，研究还发现，在纳米尺度上，表面和体积主导的相互作用机制之间的过渡可以产生最佳尺寸［2]．

超分子材料的反直觉力学行为(弱相互作用产生的高强度)通常是由不同长度尺度或层次上的尺寸和约束效应引起的(Buehler & Keten，《现代物理学评论》，2010）.在文献中可以找到几个通过尺寸限制或几何约束获得最佳性能的材料的例子［3.]．Keten等人通过MD模拟表明，负责蜘蛛丝高强度的β -片晶体使用几何纳米约束来获得最佳的刚度和韧性。通过限制它们的尺寸，β -薄片的破坏机制被限制为优化力学响应的机制(均匀剪切下的粘滑机制)，强调了尺寸和约束效应在超分子体系中的重要性［4]．最近，设计肽和有机聚合物已经被开发出来，以利用氢键和其他非共价相互作用在新的生物启发高性能功能材料中，这些材料具有特殊的刺激反应能力、自我修复能力和机械性能。然而，在对这些新型材料系统的机械响应进行建模时，还面临着许多挑战。特别是，由于非共价键在热波动下的随机性质而产生的超分子组件的动态特性，对使用经典工程分析工具评估其力学响应提出了重要挑战。目前迫切需要基于统计力学和粗粒度方法的中尺度模型来解释装配、结构和断裂之间的相互作用。另一个考虑因素是，在自组装系统中，在材料开发连续体的所有阶段(包括加工)都可以观察到这三个因素之间的耦合。

在我们的小组中，我们目前正在研究环肽纳米管(CPNs)，这是一种超分子有机纳米管，具有出色的机械刚度和与生物跨膜蛋白相匹配的运输特性，具有作为膜合成纳米孔的诱人潜力，可用于碳捕获或低能量海水淡化等应用。利用Bell的模型和MC在二聚体上的模拟，我们表征了CPN的负载依赖强度，并能够预测CPN的负载依赖强度沿故障位置的概率分布弯曲变形下的纳米管［5]．这些发现对于理解这些自组装系统的断裂和最终尺寸分布具有重要意义，这可能涉及类似于生物学中自我复制系统(如淀粉样蛋白)的管断裂引起的二次生长机制。

我们最近的研究集中在了解聚合物与纳米管构建块的附着如何用于控制功能肽二元混合物的机械性能和堆叠顺序。这些聚合物-肽偶联物的中观力学在许多方面都是谜，包括竞争效应，如氢键的焓增益与约束结合时的熵损失，以及非平衡自组装过程的动力学效应。我们目前正在建立一种力学方法来量化由熵聚合物弹簧和弱相互作用的纳米约束所产生的力。我们预计，如果成功的话，这种方法可以用来指导嵌段共聚物膜内混合CPs的堆叠顺序，以产生具有明确内部特性的人工离子通道。更广泛地说，新的理论和力学模型将导致对超分子材料物理学的基本理解，这对于发现受生物学启发的强大、坚韧和多功能系统至关重要。

路易斯·鲁伊斯(美国西北大学理论与应用力学博士生)

计算纳米动力学实验室(PI: Sinan Keten教授)

建议阅读:

1.林，Y.和L.B.弗洛伊德，粘附过程中分子键簇的最佳尺寸。物理评论E, 2008。78(2): p. 021909。

2.姚，H.， P. Guduru和H. Gao，纳米球在最佳尺寸下的分子间粘附的最大强度．《英国皇家学会界面杂志》，2008。5(28): 1363-1370页。

3.高辉，等。材料在纳米尺度上变得对缺陷不敏感:来自大自然的教训．美国国家科学院院刊，2003。100(10): p. 5597-5600。

4.Keten, S.等人。纳米约束控制丝中[β]片晶体的刚度、强度和机械韧性。自然材料，2010。9(4): 359-367页。

5.鲁伊斯，L.等。机械力作用下超分子纳米管的持续长度和随机断裂．纳米技术,2013年。24(19):第195103页。