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廈門大學(xué)林友輝教授團(tuán)隊 Adv. Sci.：羊毛角蛋白作為結(jié)構(gòu)生物材料和天然的介質(zhì)構(gòu)建高性能的生物電子
2023-02-26  來源：高分子科技

  近年來，生物聚合物基柔性電子的設(shè)計制造在醫(yī)療保健、可降解植入器件和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。但目前天然聚合物合成的柔性電子器件仍存在穩(wěn)定性差，不耐用和性能低劣等問題。


圖1.a）羊毛纖維的多級放大結(jié)構(gòu)。b）羊毛角蛋白分散碳管用于制備柔性電路和心電電極。c）羊毛角蛋白衍生的導(dǎo)電生物墨水與聚丙烯酰胺網(wǎng)絡(luò)復(fù)合制備的可拉伸傳感器。


  在此背景下，廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院林友輝教授團(tuán)隊首次采用羊毛角蛋白作為結(jié)構(gòu)生物材料和天然的介質(zhì)去構(gòu)建高性能的生物電子（圖1）。理論和實驗的結(jié)果均表明，羊毛角蛋白獨特的性能可以賦予碳納米管優(yōu)異的水分散性、穩(wěn)定性和生物相容性（圖2）。因此可以通過羊毛角蛋白與碳納米管直接混合的方法制備分散性優(yōu)異的導(dǎo)電生物墨水。所獲得的導(dǎo)電生物墨水（WKCNT）可直接用于設(shè)計多功能和高性能的生物電子產(chǎn)品，例如柔性電路和心電電極。 


圖2.羊毛角蛋白制備導(dǎo)電生物墨水。實驗與理論結(jié)果證明羊毛角蛋白對碳納米管具有極強(qiáng)的分散性能。


  更重要的是，羊毛角蛋白還可以作為連接碳納米管與聚丙烯酰胺鏈的天然介質(zhì)，增加了碳納米管在聚合物網(wǎng)絡(luò)中的分散性，從而得到具有優(yōu)異機(jī)械和電氣性能的應(yīng)變傳感器。憑借舒適且柔軟的構(gòu)造，這些羊毛角蛋白衍生的傳感單元可以進(jìn)一步組裝成一個集成手套，并且用于實時手勢識別（圖3）和靈巧的機(jī)械臂操作（圖4），表明羊毛角蛋白衍生的復(fù)合材料在可穿戴人工智能方面的巨大潛力。該工作以“Using Wool Keratin as a Structural Biomaterial and Natural Mediator to Fabricate Biocompatible and Robust Bioelectronic Platforms” 為題發(fā)表在《Advanced Science》上（DOI：10.1002/advs.202207400）。文章第一作者是廈門大學(xué)博士朱水洪。感謝國家自然科學(xué)基金、福建省“雛鷹計劃”青年拔尖人才項目、福建省科技廳杰出青年基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費及111計劃的支持。同時感謝廈門大學(xué)吳晨旭教授、吳建洋教授、林昶旭副教授在理論模擬和機(jī)械臂操縱技術(shù)等方面的支持。 


圖3.羊毛角蛋白衍生的柔性電子器件用于手勢識別。


圖4.羊毛角蛋白衍生的柔性電子器件控制機(jī)械臂進(jìn)行實驗操作。


  該工作是團(tuán)隊近期關(guān)于構(gòu)建高性能天然聚合物基柔性電子相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。天然聚合物（如蠶絲、角蛋白、纖維素和明膠等）由于其固有的生物相容性和環(huán)境可持續(xù)性，為可持續(xù)柔性電子產(chǎn)品的構(gòu)建提供了另一種選擇。該課題組已經(jīng)探索了羊毛角蛋白在微納米圖案制造，細(xì)胞培養(yǎng)和柔性可穿戴器件等方面的應(yīng)用（Adv. Mater. 2019, 31, 1900870；Small 2020, 16, 2000128; ACS Appl. Bio Mater. 2020, 3, 2891），并且系統(tǒng)性地論述了天然聚合物的圖案化制備方法及其應(yīng)用（Small Methods 2021, 5, 2001060）。


  原文鏈接：http://doi.org/10.1002/advs.202207400

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