生物大分子的复杂功能归因于它们特殊的螺旋结构及其转换，这些结构是由大量非共价相互作用产生的。然而，现有的螺旋结构大多受传统氢键和芳香堆积的调节，需要新的组装力来促进超分子手性材料的形成。以往的研究表明，通过氟原子参与环境的各种分子间相互作用，可为多肽/蛋白质提供理想的生物物理、化学和生物学特性，但很少用于控制超分子手性和功能。

图1 (a)氟原子诱导超分子手性反转示意图；(b)分子手性和超分子手性对细胞增殖的影响

近期，河南大学赵伟利、上海交通大学冯传良教授团队在Adv. Fiber Mater.上发表了题为“Fluorine Substitution Tunes the Nanofiber Chirality of Supramolecular Hydrogels to Promote Cell Adhesion and Proliferation”的研究成果。本工作通过在超分子水凝胶基元中引入氟原子并改变其芳香侧链上的环位置，研究发现引入氟原子和位置效应可以实现超分子纤维的手性反转，实验和理论揭示了氟氢键的强弱和类型是引起手性反转的主要原因。基于此，进一步研究了手性纤维材料对细胞黏附的影响，实验表明高阶超分子手性对细胞增殖和活力的影响比分子手性更显著，且超分子手性(M，P)和分子手性(L，D)对细胞增殖和活力的正向相互作用顺序为LM>DM>LP>DP（图1）。

图2 凝胶纤维的手性特征和力学性能表征

首先，表征了凝胶纤维的形貌及手性，通过SEM观察发现L-phe和L-4F-phe为右手螺旋纤维，L-2F-phe和L-3F-phe中的大部分纤维无手性(图2a-d)。随后通过CD实验观察凝胶的手性信号，结果发现在长波长组装体信号区域，L-phe和L-2F-phe的手性信号相同，与L-3F-phe和L-4F-phe的手性信号相反，表明引入氟原子可以诱导超分子手性反转(图2e-h)。流变测试实验结果发现在苯环的对位和间位引入氟原子可以提高其力学性能(图2i-l)。

图3 凝胶纤维的手性反转机制的实验表征

通过相关实验探究了凝胶的组装机制。首先通过紫外光谱实验发现从分子态到组装态，其紫外吸收峰发生红移且变宽，表明分子的堆积方式为J型堆积（图3b-c）；随后通过红外光谱数据可知从分子态到组装态酰胺键的伸缩振动峰也发生了红移，说明酰胺键参与了氢键的形成（图3d-e）。随后又通过改变浓度的氢谱进一步证明酰胺键参与了氢键形成，中间苯环参与π-π堆积作用（图3f-g）。此外，通过干凝胶的XRD图谱发现引入氟原子改变了间位和对位的分子排列方式，推测是由于氟原子参与某种氟非共价键导致分子排列方式改变（图3h）；改变浓度的氟谱结果也显示，随着浓度的增加，氟的化学位移向低场区移动，表明电子去屏蔽效应增强，与氟氢键的形成方向相对应（图3i）。

图4 凝胶纤维的手性反转机制的理论表征结果

基于上述实验结果，通过DFT理论计算优化二聚体结构和ECD实验证明氟原子参与氟氢键的形式。从优化的二聚体结构中发现氟原子通过与亲水侧链的羟基和亚甲基形成氟氢键，诱导酰胺键参与氢键的变化，进而诱导超分子手性的反转（图4a-d）。由图4e-h中计算模拟出的ECD光谱与实验得出的CD光谱基本一致。

图5 氟化纤维单体分子手性和组装超分子手性对细胞增殖黏附增殖的影响

基于上述对氟取代诱导超分子手性反转的实验结果，选择四个不同分子手性和超分子手性的水凝胶(LM, DM, LP, DP)，探究分子手性和超分子手性对细胞增殖和黏附的影响。首先，2D细胞培养实验表明分子手性和超分子手性对细胞增殖黏附的正向作用顺序为LM>DM>LP>DP（图5a-g）；其次，通过3D细胞培养实验证明氟化水凝胶适用于三维细胞培养（图5h-l）。上述实验结果将有助于发现天然的同手性现象，加速手性效应在细胞培养和组织工程中的应用。

作者简介：

河南大学材料学院2020级硕士研究生卢会杰和上海交通大学材料科学与工程学院助理研究员赵玉为本文的共同第一作者。河南大学材料学院赵伟利教授和刘进营博士、上海交通大学材料科学与工程学院冯传良教授为本文的通信作者。

课题组简介：

赵伟利，现任河南大学材料学院教授。主要围绕染料分子结构与功能的调控，生物小分子识别及荧光响应的调控，荧光探针及其在生物分析、医学诊断、环境监测中的应用，手性功能材料等领域开展研究。课题组先后承担国家自然基金面上项目及青年基金项目5项，中国博士后科学基金面上资助2项，河南省博士后科研项目资助2项。近5年，在国内外高水平杂志J. Med. Chem., Org. Lett., Anal. Chem., Chem. Commun., Chem. Eur. J., Biosens. Bioelectron.等发表论文30余篇，入选ESI高被引论文4篇，封面论文3篇。

刘进营，2019年3月博士毕业于上海交通大学冯传良课题组，同年加入河南大学材料学院特种功能材料重点实验室，从事仿生手性水凝胶材料设计开发与生物效应研究。现主持国家自然科学基金青年项目 1 项、省部级项目 2 项，以第一或共同通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Nano Res., Adv. Mater., Chem. Commun等国际顶级期刊发表论文9篇。

冯传良，上海交通大学特聘教授、材料科学与工程学院副院长，上海交通大学医学院生物材料与再生医学研究院副院长。入选中组部万人计划领军人才,科技部中青年科技创新领军人才，教育部新世纪优秀人才、上海市东方学者、浦江人才。国际高分子材料表征学会学术委员会委员，中国高分子专家智库委员会常务委员，全国手性专委会委员。在超分子材料手性结构设计、自组装新策略的创建以及生物性能的发掘等方面做出了创造性学术性贡献。主持国家自然科学基金重点项目等20余项，在Acc. Chem. Res.，Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed等国际知名刊物上发表SCI论文140余篇，申请与授权专利30余项。获得国际纯粹与应用化学联合会RICHARD ROBERT ERNST高分子学术奖，中国产学研合作创新奖。担任Adv. Fiber Mater., Supramol. Mater., Adv. Compos. Hybrid Ma., Eur. Polym. J., Gels等期刊编委。

原文信息：

Lu, H., Zhao, Y., Qin, S. et al. Fluorine Substitution Tunes the Nanofiber Chirality of Supramolecular Hydrogels to Promote Cell Adhesion and Proliferation. Adv. Fiber Mater., 2022.