京都大學研究生院工學研究科的浜地格教授（研究當時，現為該校能源理工學研究所特任教授）、窪田亮講師（研究當時，現為九州大學研究生院工學研究院教授）、生田優力碩士研究生（研究當時）、鳥越祥吾博士生（研究當時）等人的研究團隊，模仿生物細胞自行生成組織和器官的形態形成機制，開發出一種超分子構築新方法：在使人工分子在反覆進行「拆解與重組」（分解與重構）的同時，自主組裝出多種宏觀（毫米至公分）尺度的複雜空間結構。相關成果已發表在《Nature Communications》上。
圖1 透過纖維結構的拆解與重組（「拆建/破立」）實現宏觀尺度結構體（圖片提供：九州大學窪田亮）（錘子與螺絲起子插圖由Google Gemini 3.5 Flash生成，背景中的葛飾北齋浮世繪為public domain,取自https://www.metmuseum.org/art/collection/search/39799）
奈米尺度的分子自下而上組裝成目標結構的分子自組織，但傳統系統依賴熱力學控制來構築，因此容易形成均一結構，很難像生物組織那樣，自主構築具備複雜空間排列（空間複雜性）的材料。
在生物的發生過程（形態形成）中，透過巧妙結合信號分子（形態發生素）的濃度梯度，以及消耗能量並動態變化的非平衡過程，使細胞在適當位置分化、排列，從而形成從微觀到宏觀尺度的高度有序的組織和器官。模仿生物，在水凝膠這類人工柔軟材料（軟材料）中，以自下而上的方式在宏觀尺度自由空間控制排列多種不同超分子結構體的方法，此前一直屬於尚未被廣泛開拓的領域。
研究團隊從生物形態發生機制中獲取靈感，驗證了超分子形態轉變（Supramolecular morphological transition）這一新概念。具體做法是：首先製備由陰離子型短肽小分子單體預先自組裝形成的水凝膠，再從凝膠中心位置引入陽離子界面活性劑（DTAC），使其向外部擴散。
研究團隊發現，在界面活性劑擴散的過程中，受濃度梯度的影響，會產生非平衡態的「拆解與重組」（Break-and-Build）動力學現象：原本的肽纖維會先完全分解，隨後包裹住界面活性劑，重新組裝成組分不同的新型纖維。
這種「拆解與重組」動力學與界面活性劑的擴散效應結合，會反覆產生如同漣漪一般向外傳播的行波。研究發現，隨著行波的傳播，多種組分、粗細各不相同的纖維會自主分化，最終形成四層不連續的類似年輪的同心圓線圖案（直徑約14毫米），實現規整的空間排列（超分子構築）。
此外，研究團隊還證實，在行波傳播過程中施加1分鐘短時低溫（4℃）脈衝，可在指定位置刻印出新的年輪圖案；以及透過從兩處同時擴散兩種性質不同的陽離子界面活性劑，讓兩組行波發生碰撞，從而在碰撞界面構築全新的複雜融合圖案。由此表明，藉助外部刺激或外源因子的干預，有望靈活調控和改寫超分子構築形成的空間圖案。
透過發展這種自律性超分子構築技術，未來有望推動開發像生物組織那樣，微觀細胞（分子）的分化與宏觀排列得到高度控制的下一代複雜功能性生物材料及智慧軟材料。
窪田教授表示：「開展這項研究的初衷，是被活細胞精妙複雜的‘形態構築’所吸引，希望利用人工分子集合重現這一過程。實驗過程中意外出現優美的同心圓線圖案，在顯微鏡下親眼看見圖案動態演變的那一刻，那份驚喜至今難以忘懷。我們將繼續深耕研究，期待該成果能夠助力開發出如同生物組織一般精密且具備功能性的新型軟物質材料。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Communications
論文：Supramolecular Morphological Transition Driven by Nonequilibrium Break-and-Build Self-O rganisation
DOI：10.1038/s41467-026-76336-3
