AM: 受神經(jīng)元啟發(fā)的粘附性人造蛛絲
南開大學(xué)劉遵峰教授/東華大學(xué)朱美芳院士/中國藥大周湘副教授《Adv. Mater.》：受神經(jīng)元啟發(fā)的粘附性人造蛛絲
神經(jīng)元在生物體內(nèi)傳輸信號(hào)，并啟發(fā)了用于柔性電子、智能設(shè)備和神經(jīng)態(tài)計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的人工神經(jīng)材料及器件的開發(fā)。神經(jīng)元纖維表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械魯棒性，并粘附在組織和器官上，以在運(yùn)動(dòng)過程中維持其完整的形狀和主要功能，這一點(diǎn)在人工神經(jīng)元材料制備方面很少有考慮。蜘蛛的粘附絲表現(xiàn)出高強(qiáng)度和高韌性，以及用于捕捉獵物的高粘附性。這為設(shè)計(jì)具有良好粘附性和機(jī)械魯棒性的人工神經(jīng)纖維材料提供了新的思路。通過模仿蜘蛛絲的分子結(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。如果引入粘附性和離子導(dǎo)電性于其中，則具有優(yōu)異粘附性、機(jī)械魯棒性和信號(hào)傳輸?shù)娜斯ど窠?jīng)纖維材料的開發(fā)將成為可能。然而主要挑戰(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(jí)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能和電學(xué)性能的良好結(jié)合。
近期，南開大學(xué)劉遵峰教授團(tuán)隊(duì)、中國藥科大學(xué)周湘副教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合東華大學(xué)朱美芳院士團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種具有機(jī)械魯棒性、優(yōu)異粘附性和離子導(dǎo)電性的人造蜘蛛絲用于人工神經(jīng)的信號(hào)傳輸。受蜘蛛絲的分子結(jié)構(gòu)和紡絲過程的啟發(fā)，該人造蛛絲材料基于質(zhì)子供體-受體（PrDA）序列的設(shè)計(jì)，由質(zhì)子轉(zhuǎn)移作用在分子鏈間形成兩性電解質(zhì)基團(tuán)，通過靜電相互作用，PrDA材料可以像蜘蛛絲一樣連續(xù)牽引紡絲，并且對(duì)于多種質(zhì)子供體-受體組合體系均適用。所獲得的PrDA纖維具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，最好的PrDA組合纖維的拉伸強(qiáng)度可達(dá)270.38 MPa，韌性可達(dá)105.69 MJ·m-3，性能接近天然蜘蛛的粘附絲。PrDA纖維可粘附在多種不同基質(zhì)材料表面，最大粘附強(qiáng)度可高達(dá)9.17 MPa. 同時(shí)，PrDA纖維還具有優(yōu)異的離子導(dǎo)電性，使得信號(hào)傳輸成為可能，可作為生物電極用于肌電信號(hào)（EMG）和心電信號(hào)（ECG）的采集。此外，還基于PrDA人造蛛絲材料構(gòu)建了人工突觸晶體管，實(shí)現(xiàn)了模擬神經(jīng)信號(hào)的輸出和調(diào)控。該工作以 “Neuron-Inspired Sticky Artificial Spider Silk for Signal Transmission” 為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。文章的第一作者是南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院助理研究員趙維強(qiáng)博士。中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張珽研究員團(tuán)隊(duì)對(duì)該研究中人工突觸晶體管的制備方面提供了幫助。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。
文章中將相同摩爾量的質(zhì)子供體單體和質(zhì)子受體單體通過自由基聚合制備了一系列不同質(zhì)子供體-受體序列的PrDA水凝膠。類似于兩性離子生物分子，如氨基酸和蛋白質(zhì)，質(zhì)子可以從質(zhì)子供體的酸性基團(tuán)轉(zhuǎn)移到質(zhì)子受體的堿性基團(tuán)，從而生成陰離子和陽離子基團(tuán)，再通過分子鏈之間的靜電相互作用物理交聯(lián)而成膠（圖2ab）。通過仿生蜘蛛的紡絲過程，將PrDA水凝膠牽引紡絲制備PrDA纖維。
文中研究了PrDA水凝膠纖維的牽引紡絲能力。1 ml PrDA水凝膠原液可以連續(xù)紡出1480 m長的PrDA纖維（圖2c）。與天然蜘絲的紡絲過程類似，這種牽引紡絲工藝對(duì)環(huán)境友好，能耗低，符合新一代纖維紡絲行業(yè)的高標(biāo)準(zhǔn)需求。有趣的是，PrDA水凝膠的紡絲能力，與質(zhì)子供體和受體的pKa有關(guān)系。對(duì)于具有較小pKa值的質(zhì)子供體和具有較大pKa值的質(zhì)子受體組合后的PrDA水凝膠，可獲得更優(yōu)異的紡絲性能。PrDA水凝膠的活化能越小，Lmax越大，牽引紡絲越容易（圖2g）。在分子水平上，PrDA水凝膠優(yōu)異的可紡性歸因于靜電相互作用的存在，從而導(dǎo)致質(zhì)子轉(zhuǎn)移形成的聚合物鏈中的動(dòng)態(tài)交聯(lián)。在牽引力作用下，陽離子基團(tuán)和陰離子基團(tuán)分離并結(jié)合，動(dòng)態(tài)形成靜電相互作用，最終導(dǎo)致PD-A水凝膠延伸形成排列的分子鏈。此外， PrDA纖維的拉伸強(qiáng)度也與pKa有一定的關(guān)系。質(zhì)子供體具有越大的pKa，質(zhì)子受體具有越小的pKa，PrDA纖維的拉伸強(qiáng)度越高。在所研究的PrDA纖維中，APA（pKa為4.32的質(zhì)子供體）和AM（pKa為-0.83的質(zhì)子受體）組合獲得了270.38 MPa的高斷裂強(qiáng)度和105.69 MJ·m-3的高韌性，這接近天然粘附蛛絲（斷裂強(qiáng)度為500 MPa，韌性為150 MJ·m-3）的水平。
與粘性蜘蛛絲類似，PrDA纖維對(duì)多種材料都表現(xiàn)出很強(qiáng)的粘附力。由P(VSA-co-DMAPAA)纖維編織的人造蜘蛛網(wǎng)可以粘附多種材料，包括紙張、玻璃、硅橡膠、尼龍、鋁箔、聚丙烯(PP)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。這應(yīng)歸因于兩性離子聚合物鏈中存在陰離子、陽離子和脂肪族鏈段，它們通過各種分子間作用機(jī)制與不同基底表面相互作用，包括氫鍵、離子-偶極相互作用、靜電相互作用、范德華相互作用、偶極-偶極相互作用和金屬絡(luò)合等。另外，通過粘附剪切應(yīng)力測(cè)量， PrDA纖維對(duì)印刷紙的剪切應(yīng)力和剪切韌性分別為9.17 MPa和63.22 MJ·m-3（圖3），這是已知報(bào)道中粘附水凝膠材料中最好的。
神經(jīng)元纖維可以在人體組織器官間通過離子傳導(dǎo)來通信和傳輸信號(hào)。類似地，在人機(jī)交互系統(tǒng)中也需要有良好的界面兼容性來檢測(cè)來自人體皮膚的電信號(hào)并收集到儀器設(shè)備中。因此，界面粘附以及良好電信號(hào)傳導(dǎo)對(duì)于人機(jī)交互界面電極材料是非常重要的。文章研究了PrDA纖維的離子導(dǎo)電性能，并將其作為界面?zhèn)鲗?dǎo)層來捕獲人體皮膚的電信號(hào)，獲取人體的ECG和EMG信息（圖4）。
此外，該文章還以PrDA人造蛛絲作為柵極材料，構(gòu)建了一種柔性人工突觸晶體管器件，利用PrDA纖維材料的離子調(diào)控作用，實(shí)現(xiàn)了類似于神經(jīng)突觸的信號(hào)調(diào)控效果（圖5）。
綜上所述，該文章受神經(jīng)元和蜘蛛粘附絲的啟發(fā)，基于PrDA水凝膠纖維開發(fā)了一種用于生物電信號(hào)傳輸?shù)目杉徴承詫?dǎo)電人造蛛絲材料。PrDA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(duì)不同類型表面的粘附性能。同時(shí)，PrDA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(hào)并傳輸?shù)綑z測(cè)儀器的理想界面材料。此外，人工突觸晶體管的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了擬神經(jīng)信號(hào)的可控調(diào)控。因此，該研究將為人工神經(jīng)材料和設(shè)備的設(shè)計(jì)提供新的思路，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(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。
該研究項(xiàng)目得到國家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、天津市科技計(jì)劃等的資助。中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張珽研究員指導(dǎo)并合作完成人工突觸實(shí)驗(yàn)。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202300876
劉遵峰教授課題組招聘信息
招生及招聘內(nèi)容：
推免生、碩士、博士、博士后、特聘副研究員等
學(xué)科方向：
材料學(xué)，化學(xué)，生物學(xué)、紡織與纖維、金屬、計(jì)算模擬、電子信息等學(xué)科
實(shí)驗(yàn)室研究方向:
1.高強(qiáng)韌纖維、智能材料
2.人工肌肉、傳感器
3.納米材料、柔性固態(tài)制冷等
課題組網(wǎng)址：https://liuzunfeng.nankai.edu.cn
招聘要求：
1.博士招收采取推免制，具有獨(dú)立的科研能力，英語水平良好（6級(jí)或其它相當(dāng)水平），具有發(fā)表英文學(xué)術(shù)論文經(jīng)驗(yàn)；性格開朗，有良好的團(tuán)隊(duì)合作和對(duì)外溝通能力；
2. 能夠協(xié)助合作導(dǎo)師管理和完成科研項(xiàng)目并協(xié)助指導(dǎo)研究生。
3. 要求應(yīng)聘人員工作認(rèn)真負(fù)責(zé)，踏實(shí)肯干，具團(tuán)隊(duì)精神。
應(yīng)聘方式：
（一）請(qǐng)應(yīng)聘者將簡歷及相關(guān)證明材料（ 文章、成果情況等 ）通過郵件，以“應(yīng)聘崗位＋姓名”為主題發(fā)送至以下郵箱：liuzunfeng@nankai.edu.cn
（二）我們將以郵件或電話的方式通知通過初選的應(yīng)聘者，前來參加本單位組織的筆試或面試。
劉遵峰教授簡介
劉遵峰，南開大學(xué)教授，國家杰出青年基金獲得者。
研究方向?yàn)槿嵝灾悄芨叻肿永w維材料，包括高強(qiáng)韌人造蜘蛛絲、人工肌肉、柔性電子、柔性制冷等。在 Science , Nat. Commun., Adv. Mater.等國際學(xué)術(shù) SCI 期刊上發(fā)表研究論文 100 余篇。其中2015年關(guān)于可拉伸導(dǎo)體的研究工作被美國《Discover Magazine》評(píng)選為2015年度全球TOP100重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)；2019年關(guān)于“扭熱制冷”的工作發(fā)展了逆轉(zhuǎn)制冷新方法，大幅提高了制冷效率；研發(fā)的水凝膠纖維人造蜘蛛絲強(qiáng)度與韌性性能接近天然蜘蛛絲；基于多種纖維材料等發(fā)展了多種智能織物。發(fā)展了基于零泊松比褶皺結(jié)構(gòu)的彈性導(dǎo)體，構(gòu)建了多層次協(xié)同作用的模擬神經(jīng)傳導(dǎo)、應(yīng)變傳感、驅(qū)動(dòng)為一體的人工肌肉纖維。 多篇關(guān)于柔性健康監(jiān)測(cè)的文章被選為封面文章，受邀撰寫多篇綜述，授權(quán)中國專利8余項(xiàng)，在多個(gè)國內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議做邀請(qǐng)報(bào)告40余次。
五篇代表性論文：
Run Wang#, Shaoli Fang#, Zunfeng Liu*, Ray H. Baughman* et al. Torsional refrigeration by twisted, coiled, and supercoiled fibers,?Science2019, 366(6462): 216-221.
Zunfeng Liu, Shaoli Fang*, Ray H. Baughman* et al. Hierarchically Buckled Fibers for Superelastic Electronics, Sensors, and Muscles,?Science2015, 349(6246): 400-404.
Xueqi Leng, Guangkai Mei, Guanghao Zhang, Zunfeng Liu* and Xiang Zhou*. Tethering of twisted-fiber artificial muscles,?Chem. Soc. Rev.2023, 52: 2377-2390.
Yuanyuan Dou, Zhen-Pei Wang, Wenqian He, Tianjiao Jia, Zhuangjian Liu, Pingchuan Sun, Kai Wen, Enlai Gao, Xiang Zhou, Xiaoyu Hu, Jingjing Li, Shaoli Fang, Dong Qian, Zunfeng Liu*, Artificial Spider Silk from Ion-Doped and Twisted Core-Sheath Hydrogel Fibres,?Nat. Commun.2019, 10, 5293.
Kaiqing Yu, Xiaozhou Ji, Tianyu Yuan, Yao Cheng, Jingjing Li, Xiaoyu Hu, Zunfeng Liu*, Xiang Zhou*, Lei Fang* Robust Jumping Actuator with a Shrimp-Shell Architecture,?Adv. Mater.2021, 2104558.
