天然蛛網(wǎng)上有兩類蛛絲，一種是與高等級合金鋼抗拉伸強(qiáng)度相當(dāng)?shù)闹虢z，即蛛網(wǎng)上的經(jīng)線，具有很高的韌性。另一種是黏附型蛛絲，即蛛網(wǎng)上的緯線，用于捕獲獵物。
南開大學(xué)教授劉遵峰，中國科學(xué)院院士、東華大學(xué)教授朱美芳，中國藥科大學(xué)副教授周湘組成的聯(lián)合團(tuán)隊，研發(fā)出一種皮層帶有類皮膚的褶皺結(jié)構(gòu)的人造蛛絲，強(qiáng)度達(dá)到1.61吉帕斯卡，韌性達(dá)到466兆焦/立方米，超過了自然界中強(qiáng)度最高的達(dá)爾文樹皮蛛的蛛絲。聯(lián)合團(tuán)隊同時研發(fā)出一種仿生黏附型人造蛛絲，其強(qiáng)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(xiàn)出類似神經(jīng)元的功能，有望用于神經(jīng)修復(fù)、植入式電極、人機(jī)交互等。這兩項成果近日發(fā)表于國際期刊《先進(jìn)材料》。
最強(qiáng)韌人造蛛絲刷新世界紀(jì)錄
一直以來，制備人造蛛絲的常用方法是采用蛛絲蛋白或者重組蛋白進(jìn)行紡絲，但是其力學(xué)性能與天然蛛絲相去甚遠(yuǎn)。“這是因為天然蛛絲經(jīng)過億萬年的進(jìn)化，形成了精細(xì)而獨特的微納多尺度結(jié)構(gòu)?！眲⒆穹褰榻B，當(dāng)前，世界上報道的強(qiáng)度最高的天然蛛絲是在馬達(dá)加斯加島上發(fā)現(xiàn)的達(dá)爾文樹皮蛛的蛛絲，其強(qiáng)度可達(dá)1.6吉帕斯卡，韌性可達(dá)350兆焦/立方米。
劉遵峰團(tuán)隊創(chuàng)新性地提出了采用獨特的凝膠紡絲方法制備人造蛛絲，近年來取得了系列突破性進(jìn)展，不斷將人造蛛絲的性能推進(jìn)到新的高度。如劉遵峰團(tuán)隊提出了采用凝膠牽伸紡絲的方法，制備了具有捻曲—核殼結(jié)構(gòu)的人造蛛絲，強(qiáng)度可達(dá)0.9吉帕斯卡，韌性可達(dá)370兆焦/立方米。
受自然界中材料具有取向性的啟發(fā)，此次聯(lián)合團(tuán)隊研發(fā)出一種表層帶有類皮膚褶皺結(jié)構(gòu)的人造蛛絲。劉遵峰解釋說，很多材料的取向（分子鏈、納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。這有利于在提高水平方向強(qiáng)度的同時，抵抗來自垂直方向的沖擊，使得具有這種結(jié)構(gòu)的材料更加強(qiáng)韌。類皮膚的褶皺結(jié)構(gòu)就是把平行排列的結(jié)構(gòu)做成褶皺形狀，以提高在不同方向上的抗沖擊能力，使這種人造蛛絲強(qiáng)度達(dá)到1.61吉帕斯卡，韌性達(dá)到466兆焦/立方米。
仿生黏附型人造蛛絲可傳輸生物電信號
受神經(jīng)元在生物體內(nèi)傳輸?shù)膯l(fā)，科學(xué)家致力于研發(fā)人工神經(jīng)纖維及器件并應(yīng)用于柔性電子、智能設(shè)備和神經(jīng)態(tài)計算機(jī)等領(lǐng)域。
蜘蛛的黏附型蛛絲表現(xiàn)出高強(qiáng)度和高韌性，以及高黏附性。通過模仿黏附型蜘蛛絲的分子結(jié)構(gòu)和紡絲過程，人們已經(jīng)開發(fā)出了各種力學(xué)性能優(yōu)異的水凝膠纖維。下一步，將黏附性和離子導(dǎo)電性引入水凝膠纖維中，人們或?qū)㈤_發(fā)出具有優(yōu)異黏附性、力學(xué)強(qiáng)度和信號傳輸功能的人工神經(jīng)纖維。
“然而要實現(xiàn)力學(xué)性能和電學(xué)性能的良好結(jié)合，主要挑戰(zhàn)在于如何在連續(xù)紡絲的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)人工纖維分子間的相互作用和分級結(jié)構(gòu)?！敝烀婪冀榻B。
聯(lián)合團(tuán)隊基于PrDA水凝膠纖維，開發(fā)了一種用于生物電信號傳輸?shù)目杉忦ば詫?dǎo)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(yōu)異的牽引紡絲能力、力學(xué)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(dǎo)電性，是捕捉人體生物電信號并傳輸?shù)綑z測儀器的理想界面材料。此外，將該人造蛛絲用于人工突觸晶體管的構(gòu)建，可實現(xiàn)擬神經(jīng)信號的可控調(diào)控。其未來可應(yīng)用于生物電極、腦機(jī)接口、可穿戴電子設(shè)備和神經(jīng)態(tài)計算機(jī)等領(lǐng)域。（陳曦）
