可穿戴設備和植入式傳感器的發展日新月異，對兼具高拉伸性、穩定電性能和長期耐用性的生物材料需求日益迫切。天然結構蛋白如膠原蛋白，因其出色的生物相容性和力學多樣性，被視為理想的候選者。然而，傳統改性策略多局限于分子尺度的微調，常常顧此失彼，難以同時滿足這些復雜的功能需求。如何在不犧牲膠原蛋白天然優勢的前提下，賦予其卓越的彈性和導電性，成為該領域亟待突破的關鍵瓶頸。

針對這一挑戰，鄭州大學湯克勇教授、武漢大學呂昂副教授合作，開發了一種創新策略。該研究利用霍夫邁斯特離子工程，直接調控骨膠原的聚集態結構，實現了從長程有序到熵驅動無序的結構轉變。這一方法不依賴傳統的化學交聯或外源性添加劑，而是通過選擇性破壞膠原的超分子有序性，同時保留其三螺旋結構的完整性，最終成功制備出兼具高拉伸性、優異彈性、持久離子導電性和可靠傳感性能的膠原蛋白離子凝膠。相關論文以“Ordered–Disorder Transition Induced Stretchable Collagen Ionic Gels Toward Flexible Sensors”為題，發表在Advanced Materials上。

這項研究的核心在于對霍夫邁斯特效應的巧妙運用。如圖1所示，研究人員用溴化鈉處理膠原聚集體薄膜后，材料發生了戲劇性的變化：原本硬脆的膠原水凝膠變得高度可拉伸，并獲得了導電能力。處理后的離子凝膠斷裂應變高達560.00%，彈性范圍達到300.53%，回彈率更是驚人的97.36%。其韌性、彈性范圍遠超未處理的水凝膠，而損耗因子的降低則印證了其增強的彈性特征。溴化鈉在此扮演了“一石二鳥”的角色，既引入了提供導電性的自由離子，又通過調控分子間作用力，誘導了膠原分子的無序化排列，從而提升了鏈段運動能力。

圖1 | 膠原蛋白離子凝膠的設計與性能。(a) 牛肌腱中天然I型膠原蛋白的多級結構示意圖，以及NaBr處理通過調節氫鍵、范德華力和靜電相互作用破壞分子有序性，同時賦予離子凝膠拉伸性和導電性。(b) NaBr處理賦予膠原凝膠拉伸性和導電性（比例尺：0.5 cm）。(c) CAH與CAF-NaBr力學性能比較。數據以平均值±標準差表示（n=5）。

為了深入探究不同離子的作用，研究團隊對比了多種霍夫邁斯特陰離子對膠原聚集體薄膜性能的影響。圖2清晰地揭示了一個規律：kosmotropic離子如碳酸根、硫酸根能提升材料的拉伸強度，而chaotropic離子如溴離子、碘離子則顯著增加了斷裂應變。特別值得注意的是，溴化鈉處理對保持天然聚集態結構的膠原聚集體薄膜產生了明顯的尺寸收縮和拉伸性賦予，卻導致分子態的膠原膜和明膠膜結構瓦解。這一結果凸顯了霍夫邁斯特效應具有顯著的結構單元依賴性。動態光散射分析進一步表明，溴化鈉能極大加速膠原聚集體物理交聯網絡的動態交換，使其更易解離，而對明膠影響最小，這解釋了其為何能選擇性地作用于特定結構的膠原。

圖2 | 霍夫邁斯特陰離子對CA和CAF結構的影響。(a) 典型霍夫邁斯特離子。(b) 經典型霍夫邁斯特離子處理的CAF的拉伸強度和斷裂伸長率。(c) 經典型霍夫邁斯特離子處理的CAF的溶脹比。(d) 膠原基膜（CAF、CMF和GelF）在NaBr和(NH?)?SO?處理前后的代表性數碼照片（比例尺：1 cm）。(e) CA、CM和Gel鏈的結構示意圖。(f) 加入NaBr或(NH?)?SO?后，CA分散液、膠原溶液和明膠溶液中的聚集體尺寸分布。(g) 從拉伸指數衰減中獲得的特征弛豫時間（τβ），表征層級動力學。

為何溴化鈉能如此精準地調控膠原聚集體的結構？圖3給出了微觀層面的答案。透射電鏡和小角X射線散射結果表明，未經處理的膠原聚集體纖維呈現出經典的67納米D周期橫紋結構，這是高度有序的象征。而經溴化鈉處理后，這些周期性條紋完全消失，衍射環也變得彌散，標志著發生了不可逆的“有序-無序”轉變。分子動力學模擬進一步揭示了其內在機制：溴化鈉顯著削弱了膠原分子間的靜電相互作用、范德華力和氫鍵，同時增加了系統的熵值。這種熵增為材料在宏觀尺度上的大變形提供了熱力學驅動力，使得膠原分子鏈在拉伸時能獲得更大的構象熵損失，從而表現出更顯著的熵彈性。

圖3 | NaBr處理對CA的結構影響。(a) NaBr處理對CA的D-周期條帶結構影響的示意圖。(b) 脫水和含水的CA以及CA-NaBr-w的小角X射線散射光譜。(c) 含水CA和CA-NaBr-w的透射電鏡圖像（左）和小角X射線散射圖譜（右）。(d) NaBr處理前后堆積原膠原的分子動力學模擬快照。NaBr處理對堆積原膠原(e) 均方根偏差、(f) 勢能和(g) 熵的影響。在100 ns模擬中，堆積原膠原內(h) 分子間靜電相互作用和范德華相互作用、(i) 氫鍵數量及(j) 疏水表面積的變化。

這種從結構無序到功能彈性的轉變，最終在材料的宏觀力學和電學性能上得到了完美體現。如圖4所示，經溴化鈉處理后的凝膠其損耗因子低至0.02，玻璃化轉變溫度降至-41.2°C，表明分子鏈在室溫下運動能力極強，材料變得柔軟且順應。力學測試顯示，其斷裂應變和彈性應變范圍遠超大多數現有的膠原基或天然聚合物基材料。在1500次循環拉伸測試中，其最大應力保持率仍高于90%，展現了卓越的抗疲勞性能。同時，溴化鈉處理還賦予了凝膠離子導電性，盡管電導率隨鹽濃度先升后降，但在最優條件下仍能達到0.56 S/m，足以滿足生物電子器件的需求。

圖4 | CAF-NaBr離子凝膠的彈性與導電性。(a) CAF和CAF-NaBr-w的掃描電鏡圖像。(b) CAH和CAF-NaBr的損耗因子(tan δ)隨溫度變化的曲線。(c) CAF、CAH和CAF-NaBr的阻尼因子(tan δ)和玻璃化轉變溫度(Tg)。(d) CAF、CAH和CAF-NaBr的差示掃描量熱曲線。(e) CAH和CAF-NaBr的拉伸應力-應變曲線。(f) 基于膠原或其他天然聚合物的可拉伸材料體系的斷裂應變和最大彈性應變的比較。(g) CAH和CAF-NaBr在20%應變下的加載-卸載曲線（20次循環）。(h) CAF-NaBr離子凝膠的導電性示意圖。

最后，研究團隊展示了這種新型離子凝膠作為應變傳感器的巨大應用潛力。如圖5所示，該傳感器在高達300%的應變范圍內表現出優異的線性響應和頻率不敏感性，測量因子恒定。在1000次循環拉伸和100次扭轉測試中，其相對電阻變化信號始終穩定，無顯著衰減，響應和恢復時間迅速。更令人振奮的是，將該傳感器貼附于人體手指、手腕、肘部和膝蓋等關節處，能夠實時、準確地捕捉不同頻率下的彎曲運動，并輸出清晰穩定的電信號。通過構建無線實時監測系統，研究團隊成功演示了該傳感器在人體姿態和生理活動監測中的應用，充分證明了其在下一代柔性電子、軟體機器人和生物集成傳感系統中的廣闊前景。

圖5 | CAF-NaBr的機電表征及其在人體運動監測中的應用。(a) 在不同拉伸頻率下（300%應變，0.08–0.4 Hz），相對電阻變化(ΔR/R?)隨時間的變化。(b) 不同應變下（50%–300%，0.08 Hz）的ΔR/R?曲線。(c) 在300%應變、0.4 Hz頻率下進行1000次循環的穩定性測試。(d) 應變靈敏度（應變系數）分析。(e) 在不同扭轉頻率下（180°扭轉角，10–40°/s），ΔR/R?隨時間的變化。(f) 不同扭轉角度下（0–180°，40°/s）的ΔR/R?曲線。(g) 在重復扭轉循環下（40°/s，180°，100次循環）的循環扭轉電阻響應。(h) 歸一化應變靈敏度。(i) 傳感器在各種關節彎曲運動（手指、手腕、肘部和膝蓋）中進行實時電阻監測的應用。

總結而言，這項研究通過霍夫邁斯特離子工程誘導的“有序-無序轉變”，成功開發出一種高拉伸、高彈性的膠原蛋白離子凝膠。該工作系統地闡明了溴化鈉賦予膠原蛋白彈性的跨尺度機制，從分子間相互作用到超分子結構重排，再到宏觀性能的提升。這種超越傳統分子修飾、利用超分子無序來增強功能的新范式，不僅加深了對離子調控生物大分子組裝的理解，也為開發適用于柔性電子、軟體機器人和植入式傳感系統的高性能生物材料提供了一條通用且綠色的新路徑。