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东华大学张耀鹏团队:丝素蛋白纤维及功能化材料的设计与构筑
2020-11-05  来源:高分子学报

本封面主体为身着华丽丝绸礼服的中国古代妇女,丝绸礼服的后摆代表蜿蜒曲折的丝绸之路从古代绵延到现代。古代的丝绸雍容华贵,现代和未来的丝素蛋白材料使丝绸焕发了新的生机,并在生物电子、组织工程支架、生物医学、智能传感等领域有广泛的应用潜力。衣服后摆上的神经细胞、电路、DNA、血管、红细胞分别代表生物医学、生物电子、智能传感等。


  作为天然高分子材料的佼佼者,蚕丝及其丝织物因具有良好的透气性、光泽度和优异的力学性能,使得其历经数千年仍旧是轻纺工业的重要原料,也是中国传统的出口商品。随着可持续发展及绿色环保的不断深化,蚕丝的应用领域逐渐拓展。从蚕丝中提取的丝素蛋白不仅生物相容性优异,而且其具有的生物可降解性使其在生物医药、生物电子、智能传感等领域展现出巨大的应用潜力。因此,丝素蛋白及其功能材料在近15年获得了研究者越来越多的关注。然而,蚕独特的成丝方式、蚕丝特有的精密复杂的多级结构(氨基酸组分、多肽链构象、β-折叠微晶结构及多尺度微纤结构等)及丝素蛋白易变质、难加工等特点,使其难以高效多层次仿生及有效构筑,成为制约丝素蛋白材料仿生设计和性能提升的关键因素。因此,阐明丝素蛋白的仿生设计策略-结构-性能的关系,促进丝素蛋白及其功能材料的应用具有重要的科学意义及应用价值。



  东华大学纤维材料改性国家重点实验室张耀鹏研究员团队在特约专论中,从丝素蛋白纤维的仿生制备及力学增强、丝素蛋白生物支架材料的构筑及功能化、丝素蛋白智能电子材料的设计及构筑、丝素蛋白功能基元的原位设计及功能材料构筑4个方面总结了丝素蛋白纤维及功能化材料的研究进展,并指出实现丝素蛋白材料的规模化应用仍存在的3项挑战:(1)对丝素蛋白的结构和性能进行精确调控是保证器件批量制备及稳定使用的关键,但目前仍缺乏可靠的调控手段及加工大发排列3;(2)丝素蛋白易被光、热、辐照等条件破坏,致使其无法使用常规的样品处理及表征大发排列3进行精细的微观结构表征,制约了相关机理及机制的研究,而无法在理论指导下高效开发功能材料;(3)与合成高分子相比,丝素蛋白基功能材料的功能性及稳定性仍有较大差距。


  未来,丝素蛋白作为一种生物质材料将以材料学科为基础,紧密与物理、化学、生物、信息、电子等多学科结合,借助理论模拟与先进表征大发排列3,高效构筑高性能化、多功能化、智能化的丝素蛋白材料是其发展趋势。该工作有望为功能化、智能化丝素蛋白材料的设计提供指导和借鉴。


  上述工作以专论形式发表在《高分子学报》2021年第1期(即将出版)(doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2020.20172),题为“丝素蛋白纤维及功能化材料的设计与构筑”,范苏娜助理研究员陈杰博士生为共同第一作者,张耀鹏研究员为通讯作者。


  原文链接:https://doi.org/10.11777/j.issn1000-3304.2020.20172

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(责任编辑:xu)
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