研究背景

在材料科學(xué)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法已成功應(yīng)用于結(jié)構(gòu)明確的硬材料的發(fā)現(xiàn)和預(yù)測。粘附水凝膠作為一類重要的軟材料，在高端應(yīng)用中需求廣泛。

關(guān)鍵問題

然而，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)軟材料的設(shè)計(jì)主要存在以下問題：

1、軟材料的設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)性

凝膠和彈性體等軟材料的復(fù)雜多尺度結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系以及弱分子相互作用和熱波動(dòng)的影響，使得開發(fā)準(zhǔn)確的預(yù)測理論或計(jì)算模型變得困難，材料發(fā)現(xiàn)往往依賴于反復(fù)的實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)。

2、粘附水凝膠的水下粘附性能受限

盡管粘附水凝膠應(yīng)用前景廣闊，但實(shí)現(xiàn)即時(shí)、牢固且可重復(fù)的水下粘附仍是一個(gè)長期挑戰(zhàn)。現(xiàn)有研究中單體類型多樣，難以形成一致的數(shù)據(jù)集或簡單的設(shè)計(jì)原則來優(yōu)化性能。將生物學(xué)洞察（如粘附蛋白）轉(zhuǎn)化為合成策略并實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)的外推預(yù)測，仍然是端到端設(shè)計(jì)模型的主要難題。

新思路

有鑒于此，北海道大學(xué)龔劍萍、范海龍、Wei Li、Ichigaku Takigawa等人提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，集成了數(shù)據(jù)挖掘、實(shí)驗(yàn)和機(jī)器學(xué)習(xí)，從頭開始設(shè)計(jì)高性能的粘附水凝膠，以適應(yīng)苛刻的水下環(huán)境。通過利用蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了一種描述符策略，通過理想的隨機(jī)共聚在聚合物鏈中統(tǒng)計(jì)復(fù)制蛋白質(zhì)序列模式，從而實(shí)現(xiàn)了有針對性的水凝膠設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)集構(gòu)建。利用機(jī)器學(xué)習(xí)，從180個(gè)仿生水凝膠的初始數(shù)據(jù)集中優(yōu)化了水凝膠配方，實(shí)現(xiàn)了粘附強(qiáng)度的顯著提高，最大值超過1?MPa。這些超粘合水凝膠在從生物醫(yī)學(xué)工程到深海探測等不同的應(yīng)用中具有巨大的潛力，標(biāo)志著軟材料在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新方面的顯著進(jìn)步。

技術(shù)方案：

1、提出了一種全新的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法

本研究提出新數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，通過整合數(shù)據(jù)挖掘、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和機(jī)器學(xué)習(xí)，成功設(shè)計(jì)出高性能水下粘附水凝膠，助力多領(lǐng)域應(yīng)用。

2、詳述了數(shù)據(jù)挖掘過程

作者從NCBI數(shù)據(jù)庫提取24,707個(gè)粘附蛋白數(shù)據(jù)，分析前200個(gè)物種，通過多序列比對和氨基酸分類，設(shè)計(jì)出180種水凝膠配方。

3、闡述了180種數(shù)據(jù)挖掘驅(qū)動(dòng)水凝膠的合成過程

作者合成180種水凝膠，通過1H NMR確認(rèn)競聚率，蒙特卡洛模擬驗(yàn)證序列特征，16種水凝膠表現(xiàn)出強(qiáng)大粘附力，證明數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法有效。

4、展示了如何利用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)一步提高水凝膠的粘附強(qiáng)度

作者利用機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化水凝膠粘附強(qiáng)度，通過高斯過程和隨機(jī)森林回歸模型，結(jié)合序貫優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)BA、PEA和ATAC協(xié)同作用可顯著增強(qiáng)粘附性。

5、評估了性能最佳的ML驅(qū)動(dòng)水凝膠與最佳DM驅(qū)動(dòng)水凝膠的性能

結(jié)果表明。ML驅(qū)動(dòng)水凝膠（R1-max）性能優(yōu)于DM驅(qū)動(dòng)水凝膠（G-max），在多種基材上展現(xiàn)高粘附性、耐久性和生物相容性，適用于惡劣環(huán)境。

技術(shù)優(yōu)勢：

1、首次提出并實(shí)施了一個(gè)端到端設(shè)計(jì)框架

作者首次提出并實(shí)施了一個(gè)整合數(shù)據(jù)挖掘、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和機(jī)器學(xué)習(xí)迭代優(yōu)化的端到端設(shè)計(jì)框架，成功解決了軟材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系帶來的設(shè)計(jì)難題。通過從生物粘附蛋白中提取序列特征并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)模型優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了高性能水凝膠的從頭設(shè)計(jì)，使得水凝膠的粘附強(qiáng)度達(dá)到了超過1 MPa的“超級粘附”水平。

2、成功設(shè)計(jì)并合成了超粘附水凝膠

通過統(tǒng)計(jì)復(fù)制生物粘附蛋白的特征序列，成功指導(dǎo)了合成水凝膠的設(shè)計(jì)，并明確了特定單體組合對水下粘附性能的關(guān)鍵貢獻(xiàn)。所開發(fā)的超粘附水凝膠不僅在嚴(yán)苛的水下環(huán)境（如深海、高壓水泄漏）中表現(xiàn)卓越，而且具有良好的生物相容性。

技術(shù)細(xì)節(jié)

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的超粘附水凝膠從頭設(shè)計(jì)

研究提出了一種全新的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，巧妙地整合了數(shù)據(jù)挖掘（DM）、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML），旨在實(shí)現(xiàn)高性能水下粘附水凝膠的從頭設(shè)計(jì)。首先，通過挖掘蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫，作者開發(fā)了一種描述符策略，以統(tǒng)計(jì)學(xué)方式在聚合物鏈中復(fù)制蛋白質(zhì)序列模式，從而指導(dǎo)了水凝膠的設(shè)計(jì)并構(gòu)建了初始數(shù)據(jù)集。隨后，利用機(jī)器學(xué)習(xí)對由180種生物啟發(fā)水凝膠組成的初始數(shù)據(jù)集進(jìn)行了優(yōu)化，最終使得水凝膠的粘附強(qiáng)度取得了顯著突破，最高值超過1 MPa。這種超粘附水凝膠在生物醫(yī)學(xué)工程和深海探索等多樣化應(yīng)用中具有巨大潛力，標(biāo)志著軟材料數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新的一項(xiàng)重要進(jìn)展。

圖 水下粘性水凝膠的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)從頭設(shè)計(jì)

粘附蛋白的數(shù)據(jù)挖掘

作者詳述了數(shù)據(jù)挖掘過程。從NCBI蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中編譯了包含24,707個(gè)粘附蛋白的數(shù)據(jù)集，并選擇了前200個(gè)物種進(jìn)行分析，以識別最具代表性的蛋白質(zhì)序列并最小化個(gè)體差異的影響。使用Clustal Omega工具進(jìn)行多序列比對以確定每個(gè)物種的共有序列。為降低變量維度，將20種標(biāo)準(zhǔn)氨基酸根據(jù)其理化性質(zhì)分為六類：疏水、親核、酸性、陽離子、酰胺和芳香族。統(tǒng)計(jì)分析顯示，粘附蛋白的序列即使在粗粒度的功能類別水平上也表現(xiàn)出顯著的序列異質(zhì)性，并且不同物種之間在這些功能類別的成對頻率上存在獨(dú)特模式，暗示著潛在的順序性?；谶@些見解，作者設(shè)計(jì)了一種水凝膠策略，使用六種功能單體來代表六種功能類別的氨基酸，并通過統(tǒng)計(jì)復(fù)制功能類別的序列特征，最終得到了180種獨(dú)特配方用于水凝膠合成。

圖 粘附蛋白的DM和制劑設(shè)計(jì)

DM驅(qū)動(dòng)水凝膠的合成

作者選取了六種功能單體，每種代表一種氨基酸的功能類別，并通過1H NMR分析確認(rèn)了它們在DMSO中共聚時(shí)的近乎統(tǒng)一的競聚率，這表明聚合過程中組分漂移極小?；谶@些實(shí)驗(yàn)確定的競聚率和推導(dǎo)出的單體比例，蒙特卡洛模擬驗(yàn)證了所得異聚物的單體嵌段長度和成對頻率分布與粘附蛋白的觀察結(jié)果高度匹配。按照推導(dǎo)出的配方，通過一鍋法自由基共聚合成了180種DM驅(qū)動(dòng)凝膠，并通過觸針測試評估了其水下粘附強(qiáng)度。值得注意的是，其中16種水凝膠表現(xiàn)出強(qiáng)大的粘附力（Fa > 100 kPa），G-042達(dá)到了最高的147 kPa，這充分證明了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法在指導(dǎo)粘附水凝膠從頭設(shè)計(jì)方面的有效性。通過與非理想共聚（在DMS中進(jìn)行）的G-004變體進(jìn)行比較，結(jié)果顯示統(tǒng)計(jì)序列（在DMSO中合成）的變體表現(xiàn)出明顯更高的Fa，強(qiáng)調(diào)了理想隨機(jī)共聚在實(shí)現(xiàn)模仿蛋白質(zhì)功能所需的統(tǒng)計(jì)序列特征方面的重要性。

圖 用于水下粘附的DM驅(qū)動(dòng)水凝膠

通過機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化水凝膠

作者從180個(gè)水凝膠數(shù)據(jù)集中開始，評估了九種機(jī)器學(xué)習(xí)模型，最終確定高斯過程（GP）和隨機(jī)森林回歸（RFR）是預(yù)測Fa的最有效基礎(chǔ)模型?；谶@些模型，實(shí)施了序貫?zāi)Ｐ蛢?yōu)化（SMBO）工作流，并以期望改進(jìn)（EI）作為采集函數(shù)，以分批次的方式提出新的水凝膠配方，從而減少了實(shí)驗(yàn)輪次。驗(yàn)證結(jié)果顯示，所有SMBO方法都實(shí)現(xiàn)了比訓(xùn)練數(shù)據(jù)更高的Fa，其中RFR-GP表現(xiàn)最佳，取得了最高的Fa。通過SHAP分析，發(fā)現(xiàn)高含量的BA和PEA單體能顯著提高Fa，而HEA、CBEA和AAm則傾向于降低Fa。ATAC則表現(xiàn)出雙重效應(yīng)，適度含量至關(guān)重要。這些發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)強(qiáng)水下粘附水凝膠提供了明確的設(shè)計(jì)原則：結(jié)合BA、PEA和ATAC是關(guān)鍵，它們協(xié)同利用疏水效應(yīng)和靜電相互作用來增強(qiáng)水下粘附性。

圖 水下粘合劑水凝膠的ML優(yōu)化

超粘附水凝膠的性能

與G-max相比，ML驅(qū)動(dòng)水凝膠在鹽水中平衡后表現(xiàn)出更高的疏水性BA和芳香族PEA含量，導(dǎo)致不透明度增加、粘彈性和模量增強(qiáng)，這表明共聚物鏈在水介質(zhì)中形成了更強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，從而促進(jìn)了能量耗散并提升了機(jī)械強(qiáng)度。R1-max在玻璃上達(dá)到了超過1 MPa的最高Fa，并在200次附著-脫離循環(huán)中保持了穩(wěn)定的粘附性。它還對多種基材表現(xiàn)出強(qiáng)粘附力，包括無機(jī)材料、塑料和金屬，并通過剪切和剝離測試得到證實(shí)。值得注意的是，R1-max能夠使不同材料的板在1公斤剪切載荷下維持連接超過1年，展現(xiàn)出卓越的耐久性。在不同水溶液中，粘附性能略有差異，體現(xiàn)了生物系統(tǒng)中“適應(yīng)性而非普遍優(yōu)化”的原則。研究還通過實(shí)際案例展示了其應(yīng)用潛力，例如將橡膠鴨固定在海邊巖石上和密封高壓水泄漏的管道，突顯了其在惡劣環(huán)境下的適用性。這些水凝膠也表現(xiàn)出良好的生物相容性。

圖 通過DM和ML優(yōu)化鑒定的水凝膠的表征和性能

展望

總之，本文引入了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，該方法集成了從蛋白質(zhì)中提取有價(jià)值的序列信息，可擴(kuò)展的聚合物合成和迭代ML，以解決軟材料從頭設(shè)計(jì)和開發(fā)中的長期挑戰(zhàn)。除了粘合劑水凝膠，這種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)框架為開發(fā)各種功能軟材料提供了系統(tǒng)的，可擴(kuò)展的端到端方法。然而，挑戰(zhàn)仍然存在，主要是由于單體多樣性、控制單體序列到適合材料開發(fā)的規(guī)模的聚合物合成技術(shù)和數(shù)據(jù)集的可擴(kuò)展性等方面的限制，克服這些挑戰(zhàn)將需要擴(kuò)展模塊化單體庫、推進(jìn)聚合技術(shù)，并開發(fā)可在稀疏、多尺度數(shù)據(jù)集上推廣的物理學(xué)ML模型。

參考文獻(xiàn)：

Liao, H., Hu, S., Yang, H. et al. Data-driven de novo design of super-adhesive hydrogels. Nature 644, 89–95 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09269-4