朱美芳/刘遵峰/周湘，一天两篇AM！

前言

2023年6月16日，南开大学刘遵峰教授、中国药科大学周湘副教授和东华大学朱美芳院士强强联合在Advanced Materials（Adv. Mater.）上连续发表了两篇最新成果，即“Artificial Spider Silk with Buckled Sheath by Nano-Pulley Combing”和“Neuron-Inspired Sticky Artificial Spider Silk for Signal Transmission”。

下面，对这两篇最新成果进行简要的介绍，以供大家学习和了解！

1、Adv. Mater.：纳米滑轮梳带扣式人造蜘蛛丝

分子链的轴向取向总是导致纤维强度的增加和韧性的降低。基于此，南开大学刘遵峰教授、中国药科大学周湘副教授和东华大学朱美芳院士等人报道了以皮肤结构为灵感，构建了一种带扣鞘-核机制，以提高纤维的强度和韧性，从而制备出人造蜘蛛丝。通过使用聚轮烷（PR）水凝胶纤维（PR hydrogel fibre, PR_x-HF）进行循环拉伸-释放训练来实现，其中纤维拉伸增加了PR梳辅助的聚合物链轴向排列，随后的应变松弛导致排列的聚合物链在纤维鞘中弯曲。

测试发现，经过9次拉伸-释放循环后，形成了这种带扣鞘-核结构的人造蜘蛛丝，其力学强度为1.61 GPa，韧性为466 MJ m^-3，超过了达尔文树皮蛛丝（Caerostris darwini silk）（其分别为1.6 GPa和350 MJ m^-3），分别是通过喷射水滴去除弯曲后获得的相同纤维的1.44倍和1.60倍。在这种情况下没有观察到弯曲的鞘-核异质结构，并且发现在没有使用PR交联剂下，普通水凝胶纤维的机械强度在拉伸-释放训练过程中下降。

此外，人造蜘蛛丝对水分的响应也表现出优异的超收缩性能，其功容量为1.89 kJ kg^-1，驱动应变为82%，驱动应力为22 MPa。这种驱动性能是最好的，甚至超过了大多数人造肌肉。本工作为设计高性能智能纤维材料提供了一种新的策略。

图文导读

图1.PR_x-HF的制备、形态和力学性能

图2.PR_x-HF的力学性能、衍射图和偏振显微镜图像

图3.PR_4.9-HF在循环拉伸-释放训练中的力学性能和衍射图的演变

图4. PR_x-HF的驱动性能

总结展望

总之，作者通过PR水凝胶纤维的循环训练，开发出一种带扣鞘的人造蜘蛛丝。PR中的α-环糊精就像梳子一样，在纤维拉伸过程中增加聚合物链的排列，然后在随后的纤维松弛过程中折叠成弯曲的结构。PR作为一系列活动滑轮来承受更高的应力，作为动态交联来增加聚合物链的延伸，并提高纤维的耐水性。人造蛛丝的断裂强度为1.61 GPa，韧性为466 MJ m⁻³，超过了最强的天然蛛丝。通过分子定位设计具有弯曲结构的人造蜘蛛丝，可能会激发对防护设备、植入式生物材料、假肢、人工肌腱、人工肌肉和需要高力学强度、韧性和工作能力的智能设备的新设计。高度排列的聚合物链的折叠和弯曲与纤维驱动相结合，可以应用于其他领域，如光学、电气和磁性设备，以及与传感器、能量采集器和人机界面相关的领域。

Artificial Spider Silk with Buckled Sheath by Nano-Pulley Combing.Adv. Mater., 2023, DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202212112.

2、Adv. Mater.：神经元启发的粘性人造蜘蛛丝用于信号传输

神经元（Neurons）具有优异的信号传输能力，激发了人工神经元材料在可穿戴电子和软机器人领域的应用。此外，神经元纤维（neuron fibers）粘附在器官上，表现出良好的力学稳定性，但这方面的研究目前还很少。基于此，中国药科大学周湘副教授、南开大学刘遵峰教授和东华大学朱美芳院士等人报道了采用质子供体-受体（proton donor-acceptor , PrDA）水凝胶纤维制备了一种具有导电、粘性、力学性能优异的人造蜘蛛丝，并将其应用于人造神经元纤维。

优异的离子电导率使信号传输成为肌电信号（EMG信号）和心电图信号（ECG信号）。1 mL的PrDA水凝胶可以连续拉伸1480 m的纤维，力学强度为270.38 MPa，上切应力为9.17 MPa，接近蜘蛛粘丝的力学强度。此外，利用PrDA纤维作为介质栅元件，构建人工突触晶体管，实现突触功能。PrDA水凝胶纤维的亲水性允许分子链的高度水化，即使在低温下也能实现大范围的质子供体-受体组合的高度拉伸纺丝能力。PrDA人造蜘蛛丝将为新一代人工神经元材料、生物电极和人工突触的设计提供启示。

图文导读

图1.粘性PrDA人造蜘蛛丝的示意图

图2. PrDA纤维的拉伸纺丝性能和力学性能

图3. PrDA纤维的粘附性能

图4.作为生物电极的PrDA纤维的离子传导

图5.基于PrDA纤维的人工突触晶体管

总结展望

总之，作者以PrDA水凝胶纤维为基础，开发了一种具有高可纺性的粘稠生物电信号传输人造蜘蛛丝。PrDA纤维的两性阴离子聚合物链具有高度拉伸纺丝能力，良好的力学强度和对不同类型表面的优异粘性，适用于各种质子供体-受体组合。此外，PrDA水凝胶纤维具有较高的离子导电性，是捕获人体生物电信号并传输到检测仪器的理想界面层。具有导电性和粘性的人造蜘蛛丝的设计将激发人工智能材料和设备的新设计，包括生物电极、人工突触和可穿戴电子产品等。具有生物相容性的两性离子分子链可用于组织修复的人工肌腱、肌肉和神经元。PrDA纤维的连续纺丝将为制备高韧性的能量阻尼纤维提供新的机会，同时低温耐受性和可回收性将使新型智能纤维材料结合光、热、磁特性成为可能。

文献信息

Neuron-Inspired Sticky Artificial Spider Silk for Signal Transmission. Adv. Mater., 2023, DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202300876.

通讯作者简介

刘遵峰，南开大学杰出教授，国家杰出青年科学基金获得者。研究方向为：仿生智能高分子材料，包括高强韧人造蜘蛛丝、人工肌肉、柔性电子、柔性制冷等。目前共发表SCI论文超过100篇，总计SCI他人引用13000余次。其它详见网址：https://liuzunfeng.nankai.edu.cn.

周湘，中国药科大学理学院副教授。2010年9月至2011年8月赴荷兰莱顿大学进行为期一年的博士后研究工作，2015年9月至2016年9月参与中韩青年科学家互换项目到韩国浦项工业大学进行交流，现主要研究方向为新型智能生物医用高分子材料。先后主持国家自然科学基金青年项目1项，中央高校科研业务费2项等。其它详见网址：http://lxy.cpu.edu.cn/fb/28/c9862a129832/page.htm.

朱美芳，中国科学院院士，东华大学材料学院院长、纤维材料改性国家重点实验室主任。研究方向：纳米复合材料与智能材料、纤维成形理论、功能纤维及高分子材料、生物纤维等。其它详见网站：https://cmse.dhu.edu.cn/2018/0521/c14707a197476/page.htm.

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