凝胶一般由高分子构成，而超分子凝胶则是由低分子通过非共价键形成的。生物体内部巧妙利用非共价键易结合与解离的特性，进行着各种生命活动。因此，超分子凝胶作为备受期待的新一代功能性材料，有望应用于将药物精准送达患处的药物递送系统、替代受损组织的人工组织材料、吸附有害物质的环境材料等领域。
超分子凝胶示意图（Credit: S. Kimura, K. Adachi, Y. Ishii, T. Komiyama, T. Saito, N. Nakayama, M. Yokoya, H. Takaya, S. Yagai, S. Kawai, T. Uchihashi and M. Yamanaka. Usage Restrictions: Credit must be given to the creator. License: CC BY）
以明治药科大学的木村真也讲师、山中正道教授，名古屋大学的内桥贵之教授，静冈大学的河合信之辅副教授，千叶大学的矢贝史树教授为核心的研究团队，与帝京科学大学、CONFLEX公司、分子科学研究所共同研究，全球首次成功以视频形式捕捉到了超分子凝胶在纳米尺度下的具体形成过程，阐明了超分子凝胶的形成机制。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。
图1超分子凝胶化机制：a）普遍认为的机制；b）本研究证实的机制（Credit: S. Kimura, K. Adachi, Y. Ishii, T. Komiyama, T. Saito, N. Nakayama, M. Yokoya, H. Takaya, S. Yagai, S. Kawai, T. Uchihashi and M. Yamanaka. Usage Restrictions: Credit must be given to the creator. License: CC BY）
既往研究认为，超分子凝胶的形成过程为：①低分子凝胶化剂通过非共价键连接形成细纤维（原纤维）；②这些原纤维束集成更粗的纤维（纤维）；③这些纤维形成网状结构，并将液体包裹于内部，从而形成凝胶。然而，原纤维和纤维究竟如何形成及生长，其具体机制尚不明确。由于超分子凝胶的性质强烈依赖于纤维的性质，若能阐明其机制，将有望实现对超分子凝胶物性和功能的调控，进而有力推动功能性材料的开发。
研究团队运用高速原子力显微镜，成功以“视频”形式观察到了构成超分子凝胶的纤维生长过程。观察结果显示，此前所认为的细纤维（原纤维）未被观察到，而从一开始就观察到了粗超分子纤维在生长。此外，纤维的生长并非一蹴而就，而是呈现“延伸→停顿→再延伸”的反复动态。
针对这一奇特的生长动态，研究团队提出了“块状堆叠模型”这一新理论。该理论认为，分子像积木般整齐排列于纤维末端并向上堆叠，促使纤维纵向延伸。当纤维末端凹凸不平时，新前来结合的分子能够与横向相邻的分子形成非共价键并稳定附着，由于易于结合，纤维得以生长；而当纤维末端趋于平整时，新分子难以结合，导致生长暂时停顿。研究团队基于这一机制进行了计算机模拟，证实能够再现观察到的“延伸→停顿→再延伸”的生长动态。
此外，研究团队还深入探究了纤维形成最初是如何开始的。通过对凝胶化现象进行详细的图像解析，研究团队揭示了其过程分为两个步骤：最初由少数分子形成核，随后其他分子结合至核上促使纤维生长。通过对凝胶化时间进行统计分析，研究团队甚至成功推测出核是由多少个分子形成的。
由此，研究团队阐明了构成超分子凝胶的纤维形成及生长过程的全貌。
此次的研究成果有望促成超分子凝胶的研究产生飞跃性进展，未来有望实现对超分子凝胶性质的自由调控。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：Molecular-level insights into the supramolecular gelation mechanism of urea derivative
DOI：10.1038/s41467-025-59032-6
