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廈門大學林友輝教授團隊 Adv. Sci.：羊毛角蛋白作為結構生物材料和天然的介質構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計制造在醫療保健、可降解植入器件和可穿戴設備等領域引起了廣泛的關注。但目前天然聚合物合成的柔性電子器件仍存在穩定性差，不耐用和性能低劣等問題。

圖1.a）羊毛纖維的多級放大結構。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電生物墨水與聚丙烯酰胺網絡復合制備的可拉伸傳感器。

在此背景下，廈門大學物理科學與技術學院林友輝教授團隊首次采用羊毛角蛋白作為結構生物材料和天然的介質去構建高性能的生物電子（圖1）。理論和實驗的結果均表明，羊毛角蛋白獨特的性能可以賦予碳納米管優異的水分散性、穩定性和生物相容性（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異的導電生物墨水。所獲得的導電生物墨水（WKCNT）可直接用于設計多功能和高性能的生物電子產品，例如柔性電路和心電電極。

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

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，增加了碳納米管在聚合物網絡中的分散性，從而得到具有優異機械和電氣性能的應變傳感器。憑借舒適且柔軟的構造，這些羊毛角蛋白衍生的傳感單元可以進一步組裝成一個集成手套，并且用于實時手勢識別（圖3）和靈巧的機械臂操作（圖4），表明羊毛角蛋白衍生的復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” 為題發表在《Advanced Science》上（DOI：10.1002/advs.202207400）。文章第一作者是廈門大學博士朱水洪。感謝國家自然科學基金、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務費及111計劃的支持。同時感謝廈門大學吳晨旭教授、吳建洋教授、林昶旭副教授在理論模擬和機械臂操縱技術等方面的支持。

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械臂進行實驗操作。

該工作是團隊近期關于構建高性能天然聚合物基柔性電子相關研究的最新進展之一。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境可持續性，為可持續柔性電子產品的構建提供了另一種選擇。該課題組已經探索了羊毛角蛋白在微納米圖案制造，細胞培養和柔性可穿戴器件等方面的應用（Adv. Mater. 2019, 31, 1900870；Small 2020, 16, 2000128; ACS Appl. Bio Mater. 2020, 3, 2891），并且系統性地論述了天然聚合物的圖案化制備方法及其應用（Small Methods 2021, 5, 2001060）。

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

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（責任編輯：xu）

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