物质学院凌盛杰课题组利用机械训练实现高性能丝蛋白基材料

近日，上海科技大学物质学院凌盛杰课题组将机械训练促使微观结构重排的方法应用于丝蛋白基材料中，制备出力学自增强的高水合丝基材料。这些材料比由二元溶剂诱导构象转变制备的丝蛋白水凝胶强度提高了6.7 倍，硬度提高 3.3 倍，是已报道的最强的高水合丝基材料之一。研究中，丝蛋白在机械训练中的结构演变，以及相应的结构-力学关系也被系统地研究证明，并通过粗粒化分子动力学模型合理地描述和预测。所制备出的材料不仅在力学性能方面具有显著的优势，还表现出类似动物丝的双折射和湿度响应驱动等特性。相关研究成果以“Mechanical Training-Driven Structural Remodeling: A Rational Route for Outstanding Highly Hydrated Silk Materials”为题发表在纳米和微尺度研究领域学术期刊Small上，并被选为期刊封底。

天然丝由于独特的介观结构，其力学性能超过了大多数合成纤维。但高水合状态下的丝基材料力学强度一般都较差，难以满足实际应用中的强度需要。因此这项新发表的工作借鉴了生物组织中的机械训练方法，在能够引起丝蛋白构象转变的溶液中对丝蛋白基材料进行循环拉伸的机械训练（图1a），所形成的β－折叠作为交联点，可将拉伸引发的蛋白质分子链取向保留下来。最终形成取向的且具有高结晶度的结构，以实现丝基材料高水合状态下的力学强度。训练过程中的取向变化可通过偏振光下的双折射颜色转变来实时直观反映（图1b）。

图1.（a）丝蛋白基材料机械训练的示意图；（b）不同训练时间后的丝基材料（MT-HHSMs）在偏振光下颜色变化情况。

力学测试结果表明，机械训练后获得的丝基材料（MT-HHSMs）的力学强度和杨氏模量分别为4.7±0.9和21.3±2.1 MPa，优于不同方法制备出的对照样和大多数已报道的高水合丝基材料（图2a、2b）。此外通过与其它生物材料相比，其强度和刚度与皮肤、牛皮等生物组织相当，且填补了目前兼具强度与刚度的软材料空白区（图2c-e），在生物医学、再生组织等领域具有应用潜力。

除了力学性能的提升，MT-HHSMs还具有与动物丝类似的湿度驱动性（图3a），其应力随着环境湿度的增加／降低同步下降／上升，这种湿度－应力的响应可多次重复，并对材料的力学性能不会造成影响。同时，干燥过程的收缩力还赋予了材料自折叠功能（图3b），使得MT-HHSMs在软体机器人领域显示出一定的应用潜力。

图3.（a）MT-HHSMs在加湿、干燥循环下的应力变化；（d）自折叠过程中MT-HHSMs时间-变形角度的对应关系，以及偏振光下双折射条纹的演化过程。

上海科技大学物质学院凌盛杰课题组2019级硕士研究生疏婷和2020级硕士生吕卓宸为本项工作的共同第一作者，凌盛杰教授为通讯作者。美国加州大学伯克利分校的Grace X. Gu教授和Chun-Teh Chen博士协助完成了相关粗粒化分子动力学模拟实验。塔夫茨大学的David L. Kaplan教授在论文撰写过程中提出了宝贵的建议。上海科技大学是第一完成单位。该研究得到了国家自然科学基金、中国科学院合肥科学中心卓越用户计划、中国博士后科学基金、上海科技大学启动经费以及化学纤维与高分子材料改性国家重点实验室的支持。相关表征在上科大分析测试平台、上海同步辐射光源、合肥同步辐射光源完成。

文章链接：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202102660