厦门大学林友辉副教授、刘向阳教授团队：把羊毛角蛋白做成高性能柔性传感器

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从羊毛提取的羊毛角蛋白属于无定型聚合物，具有非常好的生物相容性和可控降解性。因此，基于羊毛角蛋白制品的发展潜力巨大。但是，羊毛角蛋白分子链之间通常既不能物理自组装形成网络，也不能相互共价交联，这极大限制了羊毛角蛋白的进一步应用。而另一方面，随着科技的进步，柔性电子技术已经发展成为最具有前景的信息技术之一。但作为一个新兴领域，目前柔性电子技术的研发过程仍充满重重挑战。

近期，厦门大学物理科学与技术学院林友辉副教授、刘向阳教授将生物材料的特性与传感器的需求相结合，研发制备了具有灵敏度高、响应时间快、可重复使用的高性能柔性压力传感器。首先，根据羊毛蛋白结构特点，研究团队提出了一个新型策略诱导角蛋白链相互纠缠交联(图1)。引入功能分子四臂聚乙二醇乙烯砜作为桥梁分子（亲电试剂），通过迈克尔加成反应将不同角蛋白分子链彼此连接起来，形成三维网络结构。由于羊毛角蛋白含有大量的α-螺旋结构（类似于弹簧）,研究人员将所制备的网络称为三维分子弹簧网络。

图 1

根据构型熵与耗散结构理论，纠缠交联网络在受到压应力撤销时，为达到构型熵最大化，连接点之间的羊毛角蛋白链段可以迅速复原，因此研究人员设计的三维网络结构表现出极好的弹性。并且网络结构具有优异的稳定性，在至少1万次重复循环压缩后，其结构仍没有发生明显破坏。更为重要的是，所重构的三维分子弹簧网络具有超低的有效弹性模量，在非常低的压应力下即可产生显著形变（图2）。此外，羊毛角蛋白的内禀属性决定了其链段之间的相对运动所引起的摩擦及能量损耗低。

图 2

根据所设计材料独特的力学性能，研究团队进一步将羊毛角蛋白生物高分子材料作为传感器的介电层，成功地制备了高性能柔性传感器，并极大提高了传感器的灵敏度和频率响应。该团队通过微小拉力仪和电桥仪，对柔性传感器的力学性能和电学信号信号进行测试，受到不同频率的压力，传感器都能做出实时、快速的响应，证明传感器的回弹性和灵敏性（图3）。此外，信号检测范围与所设计网络的拓扑结构（纠缠交联密度和网络连接密度）息息相关，通过控制拓扑结构，可以满足不同场景下压力检测的需求。

图 3

最后，研究人员验证了角蛋白柔性传感器在人类日常生活的应用，比如手臂和手指的弯曲、声带振动、脉搏跳动等，都得到了很好的响应（图3）。该工作拓展了羊毛角蛋白生物材料在柔性传感器领域的应用。相关成果被Small选为封底文章(图4)。

图 4

原文链接：

Zhang Lin, Hu Fan, Zhu Shuihong, Lin Youhui, Meng Zhaohui, Yu Rui, Liu Xiang Yang, Meso‐Reconstruction of Wool Keratin 3D “Molecular Springs” for Tunable Ultra‐Sensitive and Highly Recovery Strain Sensors. Small, 2020, Doi: 10.1002/smll.202000128 (Back cover). 

https://doi.org/10.1002/smll.202000128

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