清华大学刘凯&张洪杰团队：加点稀土，制备杨氏模量10GPa的轻质高强生物材料！

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基于蛛丝蛋白的生物蛋白纤维具备轻质且机械坚固的性能，从而引起了广泛关注。目前，力学性能提升主要取决于重组蛋白的折叠结构和超高分子量，这使得构建和表达目标力学蛋白的纯度和产量的难度增加。因此，开发用于制造坚固轻质高性能生物纤维的替代策略尤为重要。

鉴于此，清华大学化学系刘凯、张洪杰研究团队受启发于贻贝类蛋白的多重作用力，借助合成生物学技术，并充分发挥稀土在制备高技术材料领域的独特优势，通过引入稀土离子进行力学功能蛋白的体外翻译后修饰，强化了稀土金属离子和氨基酸侧链邻苯二酚之间的络合作用，成功制备出具有高模量和高度可塑性的稀土蛋白生物纤维。此项工作为工程化制备轻质高强高模生物纤维提供了新的策略。相关论文以题为Proteinaceous Fibers with Outstanding Mechanical Properties Manipulated by Supramolecular Interactions近期发表在中国化学会旗舰期刊CCS Chemistry。研究人员通过蛋白质工程、生物合成等手段表达出一系列带有正电荷的力学功能蛋白。然后通过静电作用引入多巴胺侧链基团，设计并制备了一种轻质、可强拉伸（~400%）、且具有高机械强度的生物蛋白纤维。与传统生物纤维调控力学性能不同，该工作通过多引入多种超分子相互作用（包括静电相互作用，金属配位螯合，氢键和阳离子-π相互作用），所制备的蛋白纤维的机械性能得到有效地调控。
图：生物法制备轻质高强高模稀土蛋白生物纤维及纤维高度可塑性

特别是使用稀土Tb³⁺离子进行体外翻译后修饰，蛋白纤维中的杨氏模量（~10GPa）可与天然蜘蛛丝相当。另一方面，该类稀土生物蛋白纤维表现出优越的可拉伸性，高度可塑性以及强荧光性能。该类稀土生物材料兼具轻质高刚度和强度、生物安全性和光致发光的优势，为探索及发展新一代可穿戴高技术材料提供了新的研究思路。

论文链接：

https://doi.org/10.31635/ccschem.020.202000231

来源：清华大学

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