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前言

2023年6月16日，南開大學劉遵峰教授、中國藥科大學周湘副教授和東華大學朱美芳院士強強聯合在Advanced Materials（Adv. Mater.）上連續發表了兩篇最新成果，即“Artificial Spider Silk with Buckled Sheath by Nano-Pulley Combing”和“Neuron-Inspired Sticky Artificial Spider Silk for Signal Transmission”。

下面，對這兩篇最新成果進行簡要的介紹，以供大家學習和了解！

1、Adv. Mater.：納米滑輪梳帶扣式人造蜘蛛絲

分子鏈的軸向取向總是導致纖維強度的增加和韌性的降低。基于此，南開大學劉遵峰教授、中國藥科大學周湘副教授和東華大學朱美芳院士等人報道了以皮膚結構為靈感，構建了一種帶扣鞘-核機制，以提高纖維的強度和韌性，從而制備出人造蜘蛛絲。通過使用聚輪烷（PR）水凝膠纖維（PR hydrogel fibre, PR_x-HF）進行循環拉伸-釋放訓練來實現，其中纖維拉伸增加了PR梳輔助的聚合物鏈軸向排列，隨后的應變松弛導致排列的聚合物鏈在纖維鞘中彎曲。

測試發現，經過9次拉伸-釋放循環后，形成了這種帶扣鞘-核結構的人造蜘蛛絲，其力學強度為1.61 GPa，韌性為466 MJ m^-3，超過了達爾文樹皮蛛絲（Caerostris darwini silk）（其分別為1.6 GPa和350 MJ m^-3），分別是通過噴射水滴去除彎曲后獲得的相同纖維的1.44倍和1.60倍。在這種情況下沒有觀察到彎曲的鞘-核異質結構，并且發現在沒有使用PR交聯劑下，普通水凝膠纖維的機械強度在拉伸-釋放訓練過程中下降。

此外，人造蜘蛛絲對水分的響應也表現出優異的超收縮性能，其功容量為1.89 kJ kg^-1，驅動應變為82%，驅動應力為22 MPa。這種驅動性能是最好的，甚至超過了大多數人造肌肉。本工作為設計高性能智能纖維材料提供了一種新的策略。

圖文導讀

圖1.PR_x-HF的制備、形態和力學性能

圖2.PR_x-HF的力學性能、衍射圖和偏振顯微鏡圖像

圖3.PR_4.9-HF在循環拉伸-釋放訓練中的力學性能和衍射圖的演變

圖4. PR_x-HF的驅動性能

總結展望

總之，作者通過PR水凝膠纖維的循環訓練，開發出一種帶扣鞘的人造蜘蛛絲。PR中的α-環糊精就像梳子一樣，在纖維拉伸過程中增加聚合物鏈的排列，然后在隨后的纖維松弛過程中折疊成彎曲的結構。PR作為一系列活動滑輪來承受更高的應力，作為動態交聯來增加聚合物鏈的延伸，并提高纖維的耐水性。人造蛛絲的斷裂強度為1.61 GPa，韌性為466 MJ m^?3，超過了最強的天然蛛絲。通過分子定位設計具有彎曲結構的人造蜘蛛絲，可能會激發對防護設備、植入式生物材料、假肢、人工肌腱、人工肌肉和需要高力學強度、韌性和工作能力的智能設備的新設計。高度排列的聚合物鏈的折疊和彎曲與纖維驅動相結合，可以應用于其他領域，如光學、電氣和磁性設備，以及與傳感器、能量采集器和人機界面相關的領域。

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

2、Adv. Mater.：神經元啟發的粘性人造蜘蛛絲用于信號傳輸

神經元（Neurons）具有優異的信號傳輸能力，激發了人工神經元材料在可穿戴電子和軟機器人領域的應用。此外，神經元纖維（neuron fibers）粘附在器官上，表現出良好的力學穩定性，但這方面的研究目前還很少。基于此，中國藥科大學周湘副教授、南開大學劉遵峰教授和東華大學朱美芳院士等人報道了采用質子供體-受體（proton donor-acceptor , PrDA）水凝膠纖維制備了一種具有導電、粘性、力學性能優異的人造蜘蛛絲，并將其應用于人造神經元纖維。

優異的離子電導率使信號傳輸成為肌電信號（EMG信號）和心電圖信號（ECG信號）。1 mL的PrDA水凝膠可以連續拉伸1480 m的纖維，力學強度為270.38 MPa，上切應力為9.17 MPa，接近蜘蛛粘絲的力學強度。此外，利用PrDA纖維作為介質柵元件，構建人工突觸晶體管，實現突觸功能。PrDA水凝膠纖維的親水性允許分子鏈的高度水化，即使在低溫下也能實現大范圍的質子供體-受體組合的高度拉伸紡絲能力。PrDA人造蜘蛛絲將為新一代人工神經元材料、生物電極和人工突觸的設計提供啟示。

圖文導讀

圖1.粘性PrDA人造蜘蛛絲的示意圖

圖2. PrDA纖維的拉伸紡絲性能和力學性能

圖3. PrDA纖維的粘附性能

圖4.作為生物電極的PrDA纖維的離子傳導

圖5.基于PrDA纖維的人工突觸晶體管

總結展望

總之，作者以PrDA水凝膠纖維為基礎，開發了一種具有高可紡性的粘稠生物電信號傳輸人造蜘蛛絲。PrDA纖維的兩性陰離子聚合物鏈具有高度拉伸紡絲能力，良好的力學強度和對不同類型表面的優異粘性，適用于各種質子供體-受體組合。此外，PrDA水凝膠纖維具有較高的離子導電性，是捕獲人體生物電信號并傳輸到檢測儀器的理想界面層。具有導電性和粘性的人造蜘蛛絲的設計將激發人工智能材料和設備的新設計，包括生物電極、人工突觸和可穿戴電子產品等。具有生物相容性的兩性離子分子鏈可用于組織修復的人工肌腱、肌肉和神經元。PrDA纖維的連續紡絲將為制備高韌性的能量阻尼纖維提供新的機會，同時低溫耐受性和可回收性將使新型智能纖維材料結合光、熱、磁特性成為可能。

文獻信息

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

通訊作者簡介

劉遵峰，南開大學杰出教授，國家杰出青年科學基金獲得者。研究方向為：仿生智能高分子材料，包括高強韌人造蜘蛛絲、人工肌肉、柔性電子、柔性制冷等。目前共發表SCI論文超過100篇，總計SCI他人引用13000余次。其它詳見網址：https://liuzunfeng.nankai.edu.cn.

周湘，中國藥科大學理學院副教授。2010年9月至2011年8月赴荷蘭萊頓大學進行為期一年的博士后研究工作，2015年9月至2016年9月參與中韓青年科學家互換項目到韓國浦項工業大學進行交流，現主要研究方向為新型智能生物醫用高分子材料。先后主持國家自然科學基金青年項目1項，中央高校科研業務費2項等。其它詳見網址：http://lxy.cpu.edu.cn/fb/28/c9862a129832/page.htm.

朱美芳，中國科學院院士，東華大學材料學院院長、纖維材料改性國家重點實驗室主任。研究方向：納米復合材料與智能材料、纖維成形理論、功能纖維及高分子材料、生物纖維等。其它詳見網站：https://cmse.dhu.edu.cn/2018/0521/c14707a197476/page.htm.

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