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前言

2023年6月16日，南開大學(xué)劉遵峰教授、中國藥科大學(xué)周湘副教授和東華大學(xué)朱美芳院士強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合在Advanced Materials（Adv. Mater.）上連續(xù)發(fā)表了兩篇最新成果，即“Artificial Spider Silk with Buckled Sheath by Nano-Pulley Combing”和“Neuron-Inspired Sticky Artificial Spider Silk for Signal Transmission”。

下面，對這兩篇最新成果進(jìn)行簡要的介紹，以供大家學(xué)習(xí)和了解！

1、Adv. Mater.：納米滑輪梳帶扣式人造蜘蛛絲

分子鏈的軸向取向總是導(dǎo)致纖維強(qiáng)度的增加和韌性的降低。基于此，南開大學(xué)劉遵峰教授、中國藥科大學(xué)周湘副教授和東華大學(xué)朱美芳院士等人報道了以皮膚結(jié)構(gòu)為靈感，構(gòu)建了一種帶扣鞘-核機(jī)制，以提高纖維的強(qiáng)度和韌性，從而制備出人造蜘蛛絲。通過使用聚輪烷（PR）水凝膠纖維（PR hydrogel fibre, PR_x-HF）進(jìn)行循環(huán)拉伸-釋放訓(xùn)練來實現(xiàn)，其中纖維拉伸增加了PR梳輔助的聚合物鏈軸向排列，隨后的應(yīng)變松弛導(dǎo)致排列的聚合物鏈在纖維鞘中彎曲。

測試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過9次拉伸-釋放循環(huán)后，形成了這種帶扣鞘-核結(jié)構(gòu)的人造蜘蛛絲，其力學(xué)強(qiáng)度為1.61 GPa，韌性為466 MJ m^-3，超過了達(dá)爾文樹皮蛛絲（Caerostris darwini silk）（其分別為1.6 GPa和350 MJ m^-3），分別是通過噴射水滴去除彎曲后獲得的相同纖維的1.44倍和1.60倍。在這種情況下沒有觀察到彎曲的鞘-核異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并且發(fā)現(xiàn)在沒有使用PR交聯(lián)劑下，普通水凝膠纖維的機(jī)械強(qiáng)度在拉伸-釋放訓(xùn)練過程中下降。

此外，人造蜘蛛絲對水分的響應(yīng)也表現(xiàn)出優(yōu)異的超收縮性能，其功容量為1.89 kJ kg^-1，驅(qū)動應(yīng)變?yōu)?2%，驅(qū)動應(yīng)力為22 MPa。這種驅(qū)動性能是最好的，甚至超過了大多數(shù)人造肌肉。本工作為設(shè)計高性能智能纖維材料提供了一種新的策略。

圖文導(dǎo)讀

圖1.PR_x-HF的制備、形態(tài)和力學(xué)性能

圖2.PR_x-HF的力學(xué)性能、衍射圖和偏振顯微鏡圖像

圖3.PR_4.9-HF在循環(huán)拉伸-釋放訓(xùn)練中的力學(xué)性能和衍射圖的演變

圖4. PR_x-HF的驅(qū)動性能

總結(jié)展望

總之，作者通過PR水凝膠纖維的循環(huán)訓(xùn)練，開發(fā)出一種帶扣鞘的人造蜘蛛絲。PR中的α-環(huán)糊精就像梳子一樣，在纖維拉伸過程中增加聚合物鏈的排列，然后在隨后的纖維松弛過程中折疊成彎曲的結(jié)構(gòu)。PR作為一系列活動滑輪來承受更高的應(yīng)力，作為動態(tài)交聯(lián)來增加聚合物鏈的延伸，并提高纖維的耐水性。人造蛛絲的斷裂強(qiáng)度為1.61 GPa，韌性為466 MJ m^?3，超過了最強(qiáng)的天然蛛絲。通過分子定位設(shè)計具有彎曲結(jié)構(gòu)的人造蜘蛛絲，可能會激發(fā)對防護(hù)設(shè)備、植入式生物材料、假肢、人工肌腱、人工肌肉和需要高力學(xué)強(qiáng)度、韌性和工作能力的智能設(shè)備的新設(shè)計。高度排列的聚合物鏈的折疊和彎曲與纖維驅(qū)動相結(jié)合，可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如光學(xué)、電氣和磁性設(shè)備，以及與傳感器、能量采集器和人機(jī)界面相關(guān)的領(lǐng)域。

Artificial Spider Silk with Buckled Sheath by Nano-Pulley Combing.Adv. Mater., 2023, DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202212112.

2、Adv. Mater.：神經(jīng)元啟發(fā)的粘性人造蜘蛛絲用于信號傳輸

神經(jīng)元（Neurons）具有優(yōu)異的信號傳輸能力，激發(fā)了人工神經(jīng)元材料在可穿戴電子和軟機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，神經(jīng)元纖維（neuron fibers）粘附在器官上，表現(xiàn)出良好的力學(xué)穩(wěn)定性，但這方面的研究目前還很少?；诖?，中國藥科大學(xué)周湘副教授、南開大學(xué)劉遵峰教授和東華大學(xué)朱美芳院士等人報道了采用質(zhì)子供體-受體（proton donor-acceptor , PrDA）水凝膠纖維制備了一種具有導(dǎo)電、粘性、力學(xué)性能優(yōu)異的人造蜘蛛絲，并將其應(yīng)用于人造神經(jīng)元纖維。

優(yōu)異的離子電導(dǎo)率使信號傳輸成為肌電信號（EMG信號）和心電圖信號（ECG信號）。1 mL的PrDA水凝膠可以連續(xù)拉伸1480 m的纖維，力學(xué)強(qiáng)度為270.38 MPa，上切應(yīng)力為9.17 MPa，接近蜘蛛粘絲的力學(xué)強(qiáng)度。此外，利用PrDA纖維作為介質(zhì)柵元件，構(gòu)建人工突觸晶體管，實現(xiàn)突觸功能。PrDA水凝膠纖維的親水性允許分子鏈的高度水化，即使在低溫下也能實現(xiàn)大范圍的質(zhì)子供體-受體組合的高度拉伸紡絲能力。PrDA人造蜘蛛絲將為新一代人工神經(jīng)元材料、生物電極和人工突觸的設(shè)計提供啟示。

圖文導(dǎo)讀

圖1.粘性PrDA人造蜘蛛絲的示意圖

圖2. PrDA纖維的拉伸紡絲性能和力學(xué)性能

圖3. PrDA纖維的粘附性能

圖4.作為生物電極的PrDA纖維的離子傳導(dǎo)

圖5.基于PrDA纖維的人工突觸晶體管

總結(jié)展望

總之，作者以PrDA水凝膠纖維為基礎(chǔ)，開發(fā)了一種具有高可紡性的粘稠生物電信號傳輸人造蜘蛛絲。PrDA纖維的兩性陰離子聚合物鏈具有高度拉伸紡絲能力，良好的力學(xué)強(qiáng)度和對不同類型表面的優(yōu)異粘性，適用于各種質(zhì)子供體-受體組合。此外，PrDA水凝膠纖維具有較高的離子導(dǎo)電性，是捕獲人體生物電信號并傳輸?shù)綑z測儀器的理想界面層。具有導(dǎo)電性和粘性的人造蜘蛛絲的設(shè)計將激發(fā)人工智能材料和設(shè)備的新設(shè)計，包括生物電極、人工突觸和可穿戴電子產(chǎn)品等。具有生物相容性的兩性離子分子鏈可用于組織修復(fù)的人工肌腱、肌肉和神經(jīng)元。PrDA纖維的連續(xù)紡絲將為制備高韌性的能量阻尼纖維提供新的機(jī)會，同時低溫耐受性和可回收性將使新型智能纖維材料結(jié)合光、熱、磁特性成為可能。

文獻(xiàn)信息

Neuron-Inspired Sticky Artificial Spider Silk for Signal Transmission. Adv. Mater., 2023, DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202300876.

通訊作者簡介

劉遵峰，南開大學(xué)杰出教授，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者。研究方向為：仿生智能高分子材料，包括高強(qiáng)韌人造蜘蛛絲、人工肌肉、柔性電子、柔性制冷等。目前共發(fā)表SCI論文超過100篇，總計SCI他人引用13000余次。其它詳見網(wǎng)址：https://liuzunfeng.nankai.edu.cn.

周湘，中國藥科大學(xué)理學(xué)院副教授。2010年9月至2011年8月赴荷蘭萊頓大學(xué)進(jìn)行為期一年的博士后研究工作，2015年9月至2016年9月參與中韓青年科學(xué)家互換項目到韓國浦項工業(yè)大學(xué)進(jìn)行交流，現(xiàn)主要研究方向為新型智能生物醫(yī)用高分子材料。先后主持國家自然科學(xué)基金青年項目1項，中央高?？蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)2項等。其它詳見網(wǎng)址：http://lxy.cpu.edu.cn/fb/28/c9862a129832/page.htm.

朱美芳，中國科學(xué)院院士，東華大學(xué)材料學(xué)院院長、纖維材料改性國家重點(diǎn)實驗室主任。研究方向：納米復(fù)合材料與智能材料、纖維成形理論、功能纖維及高分子材料、生物纖維等。其它詳見網(wǎng)站：https://cmse.dhu.edu.cn/2018/0521/c14707a197476/page.htm.

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