形狀記憶聚合物能夠在熱、光、電或磁等刺激下由臨時形狀恢復至永久形狀，在軟體機器人和生物醫學等領域具有應用潛力。然而，其發展受限于單一循環中可編程形狀數量有限。實現多重形狀記憶通常依賴復雜的化學結構設計，引入多個轉變域，增加了合成與加工難度。盡管可通過拓寬玻璃化轉變區間提升均聚物的多形狀記憶能力，但相關研究仍較少。自然界中廣泛存在的α-螺旋結構因其獨特的理化特性，可在多級結構層面實現有序組織，并有助于提升材料性能，通過調控材料的二級和三級結構，有望在不改變化學組成的情況下實現多重形狀記憶行為。
圖1. 聚氨基酸的形狀記憶機制和形狀記憶過程示意圖
在本研究中，作者通過結合NCA開環聚合與溶液澆鑄法，制備了具有可編程α-螺旋結構的均聚氨基酸薄膜，實現了多重形狀記憶行為。螺旋聚氨基酸鏈段表現出優異的熱穩定性，從而形成寬廣的玻璃化轉變區間及特定的晶格轉變過程。這兩種連續且對熱響應的轉變機制——玻璃化轉變與晶格轉變——協同作用，使材料能夠實現至少六種熱驅動形狀的可編程多重形狀記憶行為。此外，非共價相互作用以及螺旋聚氨基酸內在的自組裝特性賦予薄膜良好的修復能力。本研究推動了聚氨基酸基智能材料領域的發展，并為新一代智能材料的設計提供了新的策略，為其在生物醫學及相關領域的應用奠定了基礎。
2026年2月25日，該工作以“Programmable α?Helices Enable Multiple Shape Memory in Peptides”為題發表在Macromolecules上。寧波大學陳重一教授課題組碩士研究生魏坤鵬為該論文第一作者，陳重一教授為唯一通訊作者。
圖2. 聚氨基酸膜中螺旋結構的熱性能
在既往研究中，作者團隊發現α-螺旋結構在水溶液中穩定性較低，升溫過程中部分螺旋會發生解螺旋并轉變為無規卷曲構象。為探究聚氨基酸薄膜在加熱條件下螺旋結構的演變行為，作者開展了一系列原位變溫表征實驗。結果表明，在整個測試溫度范圍內，L-聚氨基酸的α-螺旋構象保持穩定，未發生不同二級結構之間的相互轉變。值得注意的是，與無規卷曲聚氨基酸相比，螺旋聚氨基酸表現出更優異的熱穩定性。
圖3. 聚氨基酸膜的微觀結構
為進一步探究螺旋結構對形狀記憶行為的影響，作者采用變溫WAXD研究聚氨基酸膜的微觀結構演變。結果表明L-聚氨基酸膜中的棒狀α-螺旋有序堆積形成六方晶格結構，溫度升高側鏈運動增強削弱了結構不對稱性，使晶格由Form B轉變為近似六方排列的Form B′，且該過程在測試溫度范圍內隨溫度變化可逆進行。這種可逆晶格轉變為材料賦予了形狀記憶性能。相比之下DL-聚氨基酸未表現出有序衍射結構及可逆晶格轉變，因此不具備高溫形狀記憶行為。
圖4. 聚氨基酸膜的形狀記憶行為和修復功能
通過循環折疊實驗評估了L-聚氨基酸膜的形狀記憶性能，五次循環中形狀固定率和回復率均高于95%。同時，材料在單一循環中可實現分階段回復，成功編程并依次釋放多個臨時形狀，體現出顯著的多重形狀記憶能力。此外，薄膜在人體體溫下亦可實現形狀恢復。得益于豐富的非共價相互作用，L-聚氨基酸膜還具備良好的修復性能，在溶劑作用下受損區域可實現結構重排與愈合，修復后力學性能基本恢復至原始水平。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.5c03338
