Advanced Functional Materials:具有高效定向集水功能的人造蜘蛛蛋白丝

雾是一种可贵的淡水替代资源,由于难以收集以进一步使用,因此经常被人们忽略。区别于其它种类的蜘蛛丝,蜘蛛捕丝具有独特的结点结构。该种结构由于其周期性排列和亲水等物理化学性质,能够有效吸收大气中的水分,形成方向性的水滴收集,从而松弛蜘蛛网的内应力,并成为蜘蛛的水源。这种有趣的现象,激发了人们对于在干旱和缺水地区收集雾气的设想。香港城市大学可穿戴医疗保健材料实验室的胡金莲教授团队,巧妙性地将商业用的蚕丝蛋白和重组蜘蛛丝蛋白相结合,模拟天然蜘蛛捕丝的结构性能特征,开发出一款全丝蛋白基、绿色、可持续的人造蛋白丝,表现出优异的水分收集性能。相关结果发表在Advanced Functional Materials上(DOI: 10.1002/adfm.202002437)。

天然蜘蛛丝的结点结构主要是由粘性的糖蛋白组成,该种蛋白具有丰富的丝氨酸,甘氨酸和缬氨酸。我们通过基因重组的方式制备了蜘蛛拖丝的主要成分蛋白(eMaSp2),这种蛋白不但拥有良好的亲水性,还拥有类似于糖蛋白的氨基酸成分。在这项工作中,主要采用浸渍法在蚕丝基底上形成周期性的重组蜘蛛丝蛋白结点,从物理结构到化学性质形成全方位的仿生制备。现有的人造蜘蛛捕丝主要是采用合成高分子,典型的制备方法是利用尼龙作为基底材料,然后使用聚二甲基硅烷,聚甲基丙烯酸甲酯,聚偏氟乙烯等作为结点。相比于这类人造蜘蛛捕丝,本研究提出的全丝蛋白基人造丝具有更好的生物可降解性和相容性,纤维的直径更小,质量更轻。对比现有报道的最强集水性能的尼龙基人造蜘蛛捕丝,全丝蛋白基人造丝在最大可收集的水体积方面虽然只有其三分之一,但却比它轻了约252倍,而且在收集效率方面提高了近100倍(体积质量比)。

尽管基因重组蛋白比较昂贵,但是在本项研究中用量少,结合成熟的浸渍工艺以及商业化的蚕丝,全丝蛋白基人造蜘蛛蛋白丝表现出规模化生产潜力。