Adv. Funct. Mater.：具有多功能应用的高强度、耐用的全丝素蛋白水凝胶

【引言】

水凝胶因其在生物医学，制药，生物传感器和化妆品等领域的潜在应用而成为广泛研究的焦点。 然而，水凝胶的一般弱机械性质限制了它们的效用。水凝胶通常被认为是一类机械性弱的材料，因为它们具有类似溶液的性质，即聚合物链的低密度和链之间的低摩擦。但是相反，恰恰存在具有优异机械性能的生物水凝胶的例子。

【成果简介】

近日，塔夫茨大学David L. Kaplan、Chunmei Li（共同通讯）等人通过二元溶剂诱导构象转换（BSICT）策略获得了具有优异机械性质的原始丝素蛋白（SF）水凝胶。在该方法中，SF的构象转变受适度的二元溶剂扩散和SF /溶剂相互作用的调节。β-折叠形成用作连接不同蛋白链以形成连续的3D水凝胶网络的物理交联，避免了复杂的化学和物理处理。这些新型BSICT-SF水凝胶的杨氏模量可以达到6.5±0.2 MPa，比常规水凝胶（0.01-0.1 MPa）高几十到几百倍。这种新材料填补了弹性模量/应变Ashby图中的“空软材料空间”的空白。相关成果以题为“High-Strength, Durable All-Silk Fibroin Hydrogels with Versatile Processability toward Multifunctional Applications”发表在了Advanced Functional Materials上。

【图文导读】

图1 BSICT策略制备高机械性能的原始SF水凝胶的方案

首先，将SF水溶液（≈6-8重量％）冷冻干燥，然后溶解在HFIP中以形成SF/HFIP溶液。SF完全溶解后，将所需体积的DI水轻轻地滴入SF/HFIP溶液中。混合后，获得透明的SF/HFIP/H₂O溶液。

图2 REST模拟

a-c）在REST之后分别在a）水，b）HFIP和c）HFIP/水溶剂中数量最多的五个团簇的示意图

d,e）在不同的溶剂中增加d）β-折叠百分比和e）与加工丝相关的氢键的数量

图3 BSICT-SF水凝胶的力学性能

a）BSICT-SF水凝胶的代表性拉伸应力-应变曲线

b，e）BSICT-SF水凝胶（样品4）在b）拉伸和e）压缩负荷下的自我恢复测试

c,f）BSICT-SF水凝胶（样品4）在循环c）拉伸和f）压缩加载和卸载测试下的应力-应变曲线

d）BSICT-SF水凝胶的压缩应力-应变曲线

g）失效应变的Ashby图与BSICT-SF水凝胶和代表性软生物材料的弹性模量

h）BSICT-SF水凝胶和代表性软质生物材料的总滞后对弹性模量的Ashby图

【小结】

该工作开发了一种新型的BSICT方法来制备高强度，耐用的全蚕丝蛋白水凝胶，其中溶剂扩散诱导的构象转变被用来触发和调节SF胶凝。在这个过程中，SF从无规卷曲或螺旋结构转变成β折叠，直接作为物理交联。作为一种通用的蛋白质水凝胶制造方法，BSICT在生物医学，工程和软机器人新材料方面显示出有前途的实用性。

文献链接：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组Allen供稿，材料牛整理编辑。

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