上海科技大学凌盛杰教授课题组《small》：利用机械训练实现高性能高含水丝蛋白基材料

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高水合丝基材料（丝蛋白水凝胶，HHSMs）因在组织工程、再生医学和柔性器件等领域的应用潜力被广泛研究。然而，HHSMs的力学性能较弱，限制了它们的实际应用。受生物组织中机械训练引发的结构重塑策略的启发，本研究通过工程化机械训练诱导HHSMs结构重塑及自我增强，大大提升了其固有的机械性能。所得的机械训练诱导的水合丝蛋白薄膜（MT-HHSMs），其断裂强度和杨氏模量分别提高了8倍及13倍，优于大多数已报道的高水含量HHSMs。此外，类动物丝的二级结构及分子交联网络结构为MT-HHSMs带来了如应力双折射效应、自折叠变形在内的独特的物理性能和功能。

天然动物丝独特的结构-功能关系，是人造合成材料难以媲美的。尽管具有与天然动物丝相似二级结构的高水合丝基材料在多领域中都具有广泛的应用潜力，但由于其较低的力学强度，难以满足诸多实际应用的需要。

图1.（a）机械训练示意图；（b）在偏振光下的不同训练时间后丝基薄膜的图像。

为了提高高水合丝材料（HHSMs）的机械性能，凌盛杰教授团队通过生物组织工程中机械训练驱动结构重塑的方法，结合溶剂诱导丝蛋白构相转变的途径（图1a），实现了β－折叠交联点含量以及蛋白质分子链的取向度的同步增加。最终获得了高β－折叠含量（高晶区含量）和高取向度（可由双折射效应反映，图1b）的网络结构，保证了MT-HHSMs显著提升的力学强度。所得MT-HHSMs（含水量为 43±4%）的断裂强度和杨氏模量分别达到4.7±0.9 MPa和21.3±2.1 MPa，比训练前的强度高8倍，刚度高13倍。而过程中的“结构-力学响应”关系则可通过相应分子动力学模型进行合理的描述和预测。

图2. （a）MT-HHSMs和对照组的应力应变曲线；（b）MT-HHSMs和其它相同含水量的丝基材料的强度、模量对比图；（c）MT-HHSMs和其它蛋白基生物材料的强度、刚度对比图；（d、e）MT-HHSMs和其它生物材料、软材料的强度、断裂应变对比图。

MT-HHSMs的力学性能优于不同方法制备出的对照组样和大多数已报道的高水合丝基材料（图2a、2b）。通过与其它生物材料相比，MT-HHSMs填补了软材料力学（强度与刚度平衡）空白区（图2cde），实现了突破性的进展，提升了其在生物医学领域的应用潜力。

此外，HHSMs在机械训练过程中的构效演变赋予了MT-HHSMs含应力-双折射效应、湿度-应力响应、自折叠变形在内的特殊性质。偏振光下，随着机械训练的进行，双折射效应得以凸显（图1b），指示了HHSMs中分子链取向的改变；在多次循环调节环境中的干湿变化中，MT-HHSMs显示出可重复的湿度-应力变化曲线（图3ab），且在测试后力学性能无明显变化（图3c）；干燥过程使材料收缩折叠的特征则赋予其湿度驱动变形功能（图3d）。以上特性使MT-HHSMs可用于搭建具有特殊功能的柔性器件（如软体机器人）及功能性组织工程支架。

图3. （a-b）MT-HHSMs在加湿、干燥循环下的应力变化；（c）MT-HHSMs在干态和“干燥－加湿－干燥”循环后的应力应变曲线；（d）自折叠过程中MT-HHSMs的时间与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。

综上，凌盛杰教授团队的该项研究工作提供了一种制备高性能高水合丝蛋白基材料的有效途径，详细揭示了材料力学增强过程中的结构-功能演化机制，并展示了这类材料在多领域中的潜在应用。相关研究成果以“Mechanical Training-Driven Structural Remodeling: A Rational Route for Outstanding Highly Hydrated Silk Materials”为题发表在国际学术期刊《small》，设计插图被选为封底配图。

凌盛杰课题组的硕士生疏婷和吕卓宸为发表论文的共同第一作者。伯克利大学的Grace X. Gu教授和Chun-Teh Chen博士负责了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、上科大分析测试平台、上海同步辐射光源、合肥同步辐射光源的大力支持。

文章链接：

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

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