Small:高性能丝蛋白水凝胶——来自肌肉训练的启示

上海科技大学凌盛杰课题组受生物组织工程中机械训练引发的结构重塑的启发,将之引入高水合丝基材料(丝蛋白水凝胶)的自增强进程中,实现了工程化机械训练诱导(图1a)的高水合丝基材料结构重塑及机械性能显著增强,一改常识中对高水合丝基材料柔软易断裂破损的刻板印象。通过机械训练诱导所得的水合丝蛋白薄膜(含水量43±4%)断裂强度和杨氏模量分别提高了8倍(达到4.7±0.9 MPa)及13倍(达到21.3±2.1 MPa)。该进程可以实现在分子链取向度、结晶度(高β-折叠含量)两个方面的耦合式提高(图1a)。机械训练诱导后的丝蛋白水凝胶材料的强度和刚度可比拟皮肤及牛皮,使得水凝胶材料获得强度-韧性的平衡,填补了这类软材料的综合力学性能空白区。

此外,增强后的丝蛋白水凝胶本质上具备与天然丝类似的二级结构,取向的分子交联网络结构赋予其更多迷人的物理特性和潜在应用功能:在偏振光下,丝基材料双折射效应随着分子链取向的增加而凸显(图1b),因此可实时反映训练过程中材料趋向度的变化,而应力双折射效应或可用于复杂应力场的预测或者指示;另一方面,训练后高水合丝基薄膜展示出了可重复的“湿度-应力”响应曲线,显示出湿度驱动的自折叠性(图1c)。实验结果显示出这类材料具有用于搭建特殊功用软体设备、服务于含组织工程在内的前沿领域中的应用潜力。论文中所详细阐述的高水合丝基材料力学增强过程机理也由分子动力学模型进行了佐证。

图1.(a)机械训练的示意图;(b)高水合丝基材料在偏振光下的不同训练时间的图像;(c)湿度响应折叠过程中高水合丝基薄膜变形角度与时间的呼应关系,及偏振光下双折射条纹的演化过程。

上海科技大学凌盛杰教授为该论文通讯作者,其课题组中的2019级硕士生疏婷和2020级硕士生吕卓宸为共同第一作者。伯克利大学的Grace X. Gu教授和Chun-Teh Chen博士负责论文中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。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、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材料改性国家重点实验室的支持,上科大分析测试平台、上海同步辐射光源、合肥同步辐射光源在该工作材料表征方面给予了大力支持。

论文信息:

Mechanical Training-Driven Structural Remodeling: A Rational Route for Outstanding Highly Hydrated Silk Materials

Ting Shu, Zhuochen Lv, Chun-Teh Chen, Grace X. Gu, Jing Ren, Leitao Cao, Ying Pei, Shengjie Ling*, David L. Kaplan

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DOI: 10.1002/smll.202102660

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