香港城市大学胡金莲教授团队《AFM》：具有高效定向集水功能的人造蜘蛛蛋白涂覆丝

点击上方“蓝字” 一键订阅

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。

全丝蛋白纤维的集水能力

本文将脱胶的蚕丝用作对照以比较其由重组蜘蛛包覆的全丝蛋白纤维集水能力，未包覆的脱胶蚕丝沿其长度方向具有集水作用，其集水性能为2.17±0.06 µL，最大体积为2.2 µL。有报道未涂层的尼龙纤维的最大体积阈值为2.03±0.11 µL，平均直径为18µm。通常，由于沿三相固/液接触长度（TCL）增加，较大的直径导致较高的体积阈值。因为丝纤维的吸湿性通过降低水滴的接触角而增强了粘合性，让直径为10µm的脱胶未包覆丝能够以比尼龙纤维更低的直径收集相当体积的水。但未涂覆和涂覆的丝纤维在收集的水量上观察到显着的差异。与涂覆的全丝蛋白纤维不同，原始丝纤维无法进行定向收集以维持更长的时间以积累更大的体积。但在涂覆丝上，一旦液滴在250秒从纤维上脱落，新的循环将重新开始以继续集水过程。在润湿前具有周期性结节的全丝蛋白人工捕获丝纤维，有方向的大量水收集。最初，水分子聚集在节周围，形成微小的水滴，并通过相邻水滴的聚结逐渐成长为更大的水滴。随着液滴的生长，产生了向下的稳定构象，但液滴仍悬在纤维上，直到重力超过水和纤维之间的界面张力为止。出人意料的是，用蜘蛛丝蛋白eMaSp2包覆的全蛋白纤维在690秒内显示出6.46±0.16 µL的平均收集性能，最大体积为6.6µL，几乎是原始丝的3倍。重组丝蛋白的极性氨基酸形成的丝和存在的纺锤结的亲水性可在更长的时间内改善纤维中液滴的稳定性，并使其集聚至最大尺寸。这远高于先前报道的具有类似结节尺寸的尼龙纤维。从已有的研究中可以理解，纤维直径，节尺寸和周期性的增加导致更长的三相接触线，最终有助于收集更大的水滴。在这篇论文报告的工作中，通过将吸湿性纤维和蜘蛛蛋白涂层材料结合在一起，实现了大批量的集水，其最终的纤维细度低至约10µm，周期性驼峰高度约为54µm，结节周期为〜282微米仿生纤维的几何形状决定了TCL的长度。全蛋白纤维的TCL值的计算长度证实了在0.8 mm的长度下可以实现最高的集水性能。与以前报道的纤维相比，纤维中的TCL长度显着减少。事实证明，使用真丝材料制造人造蜘蛛捕丝可以更有效地收集水。此外，该团队使用它们各自的密度计算了两种人造纤维结之间的质量。

(A)未包覆丝纤维和eMaSp2包覆纤维的集水性能的比较。B）涂有蜘蛛蛋白的纤维的集水性能以及基于TCL长度的先前报道的研究。（C）全丝蛋白纤维和尼龙涂覆丝聚水的质量关系。

总结以上分析， 该文得出以下结论：天然蜘蛛捕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。他们通过基因重组的方式制备了蜘蛛拖丝的主要成分蜘蛛蛋白（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。结果表明，与非蛋白质人造纤维相比，集水效率大大提高。可以收集多达2.2 µL的水，而被覆丝为6.6 µL，这是没有被重组蜘蛛蛋白质纤维涂覆的丝3倍。该纤维的重量比曾经报道过的合成聚合物涂覆的尼龙轻252倍。集水效率却高100倍，这种极高的集水效率是通过丝蛋白材料的几何结构和亲水性的协同作用而实现的，为可持续发展水的供应提供了高性能解决方案。由于这种新型的可生物降解材料非常便于携带和处理，显示出巨大的扩展潜力。重组spidroin作为涂层材料的使用也可以解决成本高的问题，拓宽了应用范围。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。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202002437

相关进展

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多