人造蛛絲完勝天然蛛絲

◎本報記者 陳曦

天然蛛網上有兩類蛛絲,一種是與高等級合金鋼抗拉伸強度相當的蛛絲,即蛛網上的經線,具有很高的韌性。另一種是黏附型蛛絲,即蛛網上的緯線,用於捕獲獵物。

南開大學教授劉遵峰,中國科學院院士、東華大學教授朱美芳,中國藥科大學副教授周湘組成的聯合團隊,研發出一種皮層帶有類皮膚的褶皺結構的人造蛛絲,強度達到1.61吉帕斯卡,韌性達到466兆焦/立方米,超過了自然界中強度最高的達爾文樹皮蛛的蛛絲。聯合團隊同時研發出一種倣生黏附型人造蛛絲,其強度和韌性超過了天然的黏附型蛛絲。該人造蛛絲還可以傳輸電信號,表現出類似神經元的功能,有望用於神經修復、植入式電極、人機交互等。這兩項成果近日發表于國際期刊《先進材料》。

最強韌人造蛛絲刷新世界紀錄

一直以來,製備人造蛛絲的常用方法是採用蛛絲蛋白或者重組蛋白進行紡絲,但是其力學性能與天然蛛絲相去甚遠。“這是因為天然蛛絲經過億萬年的進化,形成了精細而獨特的微納多尺度結構。”劉遵峰介紹,當前,世界上報道的強度最高的天然蛛絲是在馬達加斯加島上發現的達爾文樹皮蛛的蛛絲,其強度可達1.6吉帕斯卡,韌性可達350兆焦/立方米。

劉遵峰團隊創新性地提出了採用獨特的凝膠紡絲方法製備人造蛛絲,近年來取得了系列突破性進展,不斷將人造蛛絲的性能推進到新的高度。如劉遵峰團隊提出了採用凝膠牽伸紡絲的方法,製備了具有捻曲—核殼結構的人造蛛絲,強度可達0.9吉帕斯卡,韌性可達370兆焦/立方米。

受自然界中材料具有取向性的啟發,此次聯合團隊研發出一種表層帶有類皮膚褶皺結構的人造蛛絲。劉遵峰解釋説,很多材料的取向(分子鏈、奈米纖維等沿一個方向平行排列)不是均勻的,比如樹木、皮膚、牙齒等,它們的核心層和表層的取向方向是相互垂直的。這有利於在提高水準方向強度的同時,抵抗來自垂直方向的衝擊,使得具有這種結構的材料更加強韌。類皮膚的褶皺結構就是把平行排列的結構做成褶皺形狀,以提高在不同方向上的抗衝擊能力,使這種人造蛛絲強度達到1.61吉帕斯卡,韌性達到466兆焦/立方米。

倣生黏附型人造蛛絲可傳輸生物電信號

受神經元在生物體內傳輸的啟發,科學家致力於研發人工神經纖維及器件並應用於柔性電子、智慧設備和神經態電腦等領域。

蜘蛛的黏附型蛛絲表現出高強度和高韌性,以及高黏附性。通過模倣黏附型蜘蛛絲的分子結構和紡絲過程,人們已經開發出了各種力學性能優異的水凝膠纖維。下一步,將黏附性和離子導電性引入水凝膠纖維中,人們或將開發出具有優異黏附性、力學強度和信號傳輸功能的人工神經纖維。

“然而要實現力學性能和電學性能的良好結合,主要挑戰在於如何在連續紡絲的基礎上調節人工纖維分子間的相互作用和分級結構。”朱美芳介紹。

聯合團隊基於PrDA水凝膠纖維,開發了一種用於生物電信號傳輸的可紡黏性導電人造蛛絲材料。該人造蛛絲的兩性離子聚合物鏈間的靜電相互作用保證了優異的牽引紡絲能力、力學性能和對不同類型表面的黏附性能。同時,該人造蛛絲顯示出良好的離子導電性,是捕捉人體生物電信號並傳輸到檢測儀器的理想界面材料。此外,將該人造蛛絲用於人工突觸電晶體的構建,可實現擬神經信號的可控調控。其未來可應用於生物電極、腦機介面、可穿戴電子設備和神經態電腦等領域。