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    香港城市大學胡金蓮教授團隊《AFM》:具有高效定向集水功能的人造蜘蛛蛋白涂覆絲
    2020-07-13  來源:高分子科技

      霧是一種可貴的淡水替代資源,由于難以收集以進一步使用,因此經常被人們忽略。區別于其它種類的蜘蛛絲,蜘蛛捕絲具有獨特的結點結構。該種結構由于其周期性排列和親水等物理化學性質,能夠有效吸收大氣中的水分,形成方向性的水滴收集,從而松弛蜘蛛網的內應力,并成為蜘蛛的水源。這種有趣的現象,激發了人們對于在干旱和缺水地區收集霧氣的設想。香港城市大學可穿戴醫療保健材料實驗室的胡金蓮教授團隊,巧妙性地將商業用的蠶絲蛋白和重組蜘蛛絲蛋白相結合,模擬天然蜘蛛捕絲的結構性能特征,開發出一款全絲蛋白基、綠色可持續的人造蛋白絲,表現出優異的水分收集性能。相關結果發表在Advanced Functional Materials上。


    全絲蛋白纖維的集水能力


      本文將脫膠的蠶絲用作對照以比較其由重組蜘蛛包覆的全絲蛋白纖維集水能力,未包覆的脫膠蠶絲沿其長度方向具有集水作用,其集水性能為2.17±0.06 μL,最大體積為2.2 μL。有報道未涂層的尼龍纖維的最大體積閾值為2.03±0.11 μL,平均直徑為18μm。通常,由于沿三相固/液接觸長度(TCL)增加,較大的直徑導致較高的體積閾值。因為絲纖維的吸濕性通過降低水滴的接觸角而增強了粘合性,讓直徑為10μm的脫膠未包覆絲能夠以比尼龍纖維更低的直徑收集相當體積的水。但未涂覆和涂覆的絲纖維在收集的水量上觀察到顯著的差異。與涂覆的全絲蛋白纖維不同,原始絲纖維無法進行定向收集以維持更長的時間以積累更大的體積。但在涂覆絲上,一旦液滴在250秒從纖維上脫落,新的循環將重新開始以繼續集水過程。在潤濕前具有周期性結節的全絲蛋白人工捕獲絲纖維,有方向的大量水收集。最初,水分子聚集在節周圍,形成微小的水滴,并通過相鄰水滴的聚結逐漸成長為更大的水滴。隨著液滴的生長,產生了向下的穩定構象,但液滴仍懸在纖維上,直到重力超過水和纖維之間的界面張力為止。出人意料的是,用蜘蛛絲蛋白eMaSp2包覆的全蛋白纖維在690秒內顯示出6.46±0.16 μL的平均收集性能,最大體積為6.6μL,幾乎是原始絲的3倍。重組絲蛋白的極性氨基酸形成的絲和存在的紡錘結的親水性可在更長的時間內改善纖維中液滴的穩定性,并使其集聚至最大尺寸。這遠高于先前報道的具有類似結節尺寸的尼龍纖維。從已有的研究中可以理解,纖維直徑,節尺寸和周期性的增加導致更長的三相接觸線,最終有助于收集更大的水滴。在這篇論文報告的工作中,通過將吸濕性纖維和蜘蛛蛋白涂層材料結合在一起,實現了大批量的集水,其最終的纖維細度低至約10μm,周期性駝峰高度約為54μm,結節周期為?282微米仿生纖維的幾何形狀決定了TCL的長度。全蛋白纖維的TCL值的計算長度證實了在0.8 mm的長度下可以實現最高的集水性能。與以前報道的纖維相比,纖維中的TCL長度顯著減少。事實證明,使用真絲材料制造人造蜘蛛捕絲可以更有效地收集水。此外,該團隊使用它們各自的密度計算了兩種人造纖維結之間的質量。


    (A)未包覆絲纖維和eMaSp2包覆纖維的集水性能的比較。B)涂有蜘蛛蛋白的纖維的集水性能以及基于TCL長度的先前報道的研究。(C)全絲蛋白纖維和尼龍涂覆絲聚水的質量關系。


      總結以上分析, 該文得出以下結論:天然蜘蛛捕絲的結點結構主要是由粘性的糖蛋白組成,該種蛋白具有豐富的絲氨酸,甘氨酸和纈氨酸。他們通過基因重組的方式制備了蜘蛛拖絲的主要成分蜘蛛蛋白(eMaSp2),這種蛋白不但擁有良好的親水性,還擁有類似于糖蛋白的氨基酸成分。結果表明,與非蛋白質人造纖維相比,集水效率大大提高。可以收集多達2.2 μL的水,而被覆絲為6.6 μL,這是沒有被重組蜘蛛蛋白質纖維涂覆的絲3倍。該纖維的重量比曾經報道過的合成聚合物涂覆的尼龍輕252倍。集水效率卻高100倍,這種極高的集水效率是通過絲蛋白材料的幾何結構和親水性的協同作用而實現的,為可持續發展水的供應提供了高性能解決方案。由于這種新型的可生物降解材料非常便于攜帶和處理,顯示出巨大的擴展潛力。重組spidroin作為涂層材料的使用也可以解決成本高的問題,拓寬了應用范圍。盡管基因重組蛋白比較昂貴,但是在本項研究中用量少,結合成熟的浸漬工藝以及商業化的蠶絲,全絲蛋白基人造蜘蛛蛋白絲表現出規模化生產潛力。


      原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202002437

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