Adv. Funct. Mater.：具有多功能應用的高強度、耐用的全絲素蛋白水凝膠

【引言】

水凝膠因其在生物醫學，制藥，生物傳感器和化妝品等領域的潛在應用而成為廣泛研究的焦點。 然而，水凝膠的一般弱機械性質限制了它們的效用。水凝膠通常被認為是一類機械性弱的材料，因為它們具有類似溶液的性質，即聚合物鏈的低密度和鏈之間的低摩擦。但是相反，恰恰存在具有優異機械性能的生物水凝膠的例子。

【成果簡介】

近日，塔夫茨大學David L. Kaplan、Chunmei Li（共同通訊）等人通過二元溶劑誘導構象轉換（BSICT）策略獲得了具有優異機械性質的原始絲素蛋白（SF）水凝膠。在該方法中，SF的構象轉變受適度的二元溶劑擴散和SF /溶劑相互作用的調節。β-折疊形成用作連接不同蛋白鏈以形成連續的3D水凝膠網絡的物理交聯，避免了復雜的化學和物理處理。這些新型BSICT-SF水凝膠的楊氏模量可以達到6.5±0.2 MPa，比常規水凝膠（0.01-0.1 MPa）高幾十到幾百倍。這種新材料填補了彈性模量/應變Ashby圖中的“空軟材料空間”的空白。相關成果以題為“High-Strength, Durable All-Silk Fibroin Hydrogels with Versatile Processability toward Multifunctional Applications”發表在了Advanced Functional Materials上。

【圖文導讀】

圖1 BSICT策略制備高機械性能的原始SF水凝膠的方案

首先，將SF水溶液（≈6-8重量％）冷凍干燥，然后溶解在HFIP中以形成SF/HFIP溶液。SF完全溶解后，將所需體積的DI水輕輕地滴入SF/HFIP溶液中。混合后，獲得透明的SF/HFIP/H₂O溶液。

圖2 REST模擬

a-c）在REST之后分別在a）水，b）HFIP和c）HFIP/水溶劑中數量最多的五個團簇的示意圖

d,e）在不同的溶劑中增加d）β-折疊百分比和e）與加工絲相關的氫鍵的數量

圖3 BSICT-SF水凝膠的力學性能

a）BSICT-SF水凝膠的代表性拉伸應力-應變曲線

b，e）BSICT-SF水凝膠（樣品4）在b）拉伸和e）壓縮負荷下的自我恢復測試

c,f）BSICT-SF水凝膠（樣品4）在循環c）拉伸和f）壓縮加載和卸載測試下的應力-應變曲線

d）BSICT-SF水凝膠的壓縮應力-應變曲線

g）失效應變的Ashby圖與BSICT-SF水凝膠和代表性軟生物材料的彈性模量

h）BSICT-SF水凝膠和代表性軟質生物材料的總滯后對彈性模量的Ashby圖

【小結】

該工作開發了一種新型的BSICT方法來制備高強度，耐用的全蠶絲蛋白水凝膠，其中溶劑擴散誘導的構象轉變被用來觸發和調節SF膠凝。在這個過程中，SF從無規卷曲或螺旋結構轉變成β折疊，直接作為物理交聯。作為一種通用的蛋白質水凝膠制造方法，BSICT在生物醫學，工程和軟機器人新材料方面顯示出有前途的實用性。

文獻鏈接：High-Strength, Durable All-Silk Fibroin Hydrogels with Versatile Processability toward Multifunctional Applications（Adv. Funct. Mater.,2017,DOI: 10.1002/adfm.201704757）

本文由材料人生物材料組Allen供稿，材料牛整理編輯。

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