纤维电子、光子器件能够集成在纱线或织物中，是智能纺织品的重要组成部分，在可移动能量收集，远程诊断，个性化医疗保健，运动跟踪，人机交互，和可穿戴显示等领域有着广阔的应用前景。蚕丝纤维被誉为“纤维皇后”，具有丰富的天然资源、强大的机械性能、生物相容性、生物降解性、导热性和宽的光学窗口，是用于智能和可穿戴电子产品的最重要的天然纤维之一。然而，天然桑蚕丝纤维的特性不能完全满足智能纺织品的要求，如导电性，对不同外部刺激的敏感性、对环境（如湿度和温度）的响应性和自适应性等。通过对蚕丝蛋白的介观结构进行调控，可实现对蚕丝蛋白的功能化改性并拓展其在智能电子、光子器件领域的应用场景。

  厦门大学刘向阳教授课题组报道了从丝素蛋白介观功能化到纤维电子、光子器件的综述，系统地概述了功能化蚕丝纤维电子学方面研究的最新发展。作者从介观尺度介绍了蚕丝材料的五级结构，解释了由 β 微晶成核控制的蚕丝介观重构过程。随后，介绍了将蚕丝蛋白材料从溶液转化为一维纤维结构的人工纺丝方法，并讨论了蚕丝蛋白在成纤过程的组装行为，以及纺丝条件对蚕丝分子的排列和结晶的影响。此外，作者总结了功能化再生蚕丝纤维器件的研究进展，强调了智能蚕丝纤维在可穿戴传感、可移动能量采集、远程诊断、个性化医疗保健、人机交互等方面的潜在应用和相关挑战。

图1 采用介观功能化蚕丝纤维和不同纺丝方法开发的各种智能纤维器件示意图。

图2 (a) 将柔性蚕丝蛋白材料转化为介观功能化蚕丝器件的研究策略。(b) 具有良好生物相容性的蚕丝/碳纳米管（CNT）柔性电子纤维器件应用于湿度传感器、人体健康监测和人机交互等领域。

图 3 蚕丝蛋白材料的五级结构示意图。i) 一级结构：氨基酸序列；ii) 二级结构：α-螺旋和β-折叠；iii) 三级结构：β-微晶；iv) 四级结构：β-晶体网络，其中 β-微晶通过无定形链（α-螺旋和/或无规卷曲）相互连接；v) 五级结构：纳米纤维束/网络。

图4丝蛋白纤维内部结构的几种模型。a) 本体网络模型；b)“圆柱形纤维”模型；c)“串珠”模型；d) 类淀粉状蛋白模型；e)“板段”模型；f) 纳米“渔网状”模型。

图5 蚕丝材料二级结构的表征方法。(a) 傅里叶红外光谱（FTIR）解卷积和峰值分配。(b) 通过红外和广角 X 射线衍射 获得的β-微晶和 β-构象。(c) 蚕丝纤维拉曼光谱中酰胺 I 区的谱带分解。(d) 蚕丝纤维的偏振光谱。

图6 蚕丝材料结构信息的 X 射线衍射和 原子力显微镜（AFM） 分析。 (a-c) 丝蛋白材料的二维X射线光衍射图像和经过积分计算后得到的一维谱带。(d-g) 具有不同牵伸比的再生蚕丝/CNT 复合纤维的同步辐射 X 射线衍射图案 (h-j) AFM 测试的示意图。 

图 7. 蚕丝材料形态的图像表征。 (a) 再生蚕丝纤维和 (b) CNT/再生蚕丝纤维的典型表面形态的光学和 扫描电子显微镜（SEM） 图像。(c-d) 再生蚕丝蛋白凝胶的 TEM 图像。(e) 由 AFM 图像表征的 CNT/蚕丝蛋白混合介观网络。

图8 (a) 蚕丝分子链展开和重折叠过程的图示。(b-c) 成核诱导的β-微晶和晶体网络形成。

图9  (a) 蚕丝蛋白/羊毛角蛋白混合溶液的流变演变。 (b) 基于流变测量的动态热力学增长曲线。 (c) 蚕丝蛋白/羊毛角蛋白的光密度演变。 (d) 基于光密度结果的静态热力学增长曲线。 (e-f) 蚕丝纳米纤维和蚕丝蛋白/羊毛角蛋白混合纳米纤维的 AFM 图像。(g) 再生丝纤维中蚕丝/CNT介观网络重建示意图。(h) 从AFM 图像中可以清晰看出蚕丝/CNT纳米原纤网络。

图10 蚕丝纤维的介观重建和功能化图示。 (a) 蚕丝介观功能化示意图和纳米种子对功能化的影响。 经许可转载。(b) 纳米种子对蚕丝纤维突出性能改进。

图11 再生蚕丝纤维纺丝方法。 (a) 采用湿法纺丝对碳纳米管/再生蚕丝蛋白溶液进行纺丝。 (b) 干纺用于制造具有良好机械性能的再生蚕丝纤维。(c) 3D 打印用于获得芯鞘结构的功能性再生蚕丝纤维。(d) 通过静电纺丝获得的 再生蚕丝纳米纤维。(e) 通过微流体纺丝制备的介孔杂化再生蚕丝/藻酸盐纤维。 

图12 蚕丝纤维传感器。 (a) 蚕丝纤维压力传感器的图示。 (b) 蚕丝纤维压力传感器用于莫尔斯电码编译。 (c) 蚕丝压力传感器监测不同弯曲角度。 (d)蚕丝纤维温度传感器阵列的智能针织手套的图像。 (e) 当缝有蚕丝温度的传感器智能手套接触装满热水的烧杯时产生的电信号。 (f)  蚕丝温度传感器的电流 - 电压信号。(g) 带有嵌入式蚕丝湿度传感器的智能口罩。 (h) 蚕丝湿度传感器的响应和恢复时间。 (i) 智能口罩佩戴者呼气和吸气时的电阻信号。 (j) 人体呼吸监测云平台示意图。 (k) 电信号处理流程图。 (l-m) 实时移动监控平台。

图13 蚕丝纤维致动器。(a ) 湿度引起的蜘蛛拉索丝的扭转驱动。(b) 水雾刺激的蚕丝致动器的示意图。 (c) 蚕丝致动器工作图像 (p 是螺距)。(d) 不同捻度密度的蚕丝致动器的拉伸行程对相对湿度的依赖性。 (e) 缝在 T 恤上的蚕丝致动器示意图。 (f) 人体汗液驱动蚕丝纱线在空调纺织品中的应用示范。

图14 蚕丝纤维的光学应用。 (a) 由荧光颜色基因（绿色）编码的载体结构。(b) 正常蚕（作为对照）和喂食各种荧光染料（包括罗丹明 101、罗丹明 110 和罗丹明 B）的家蚕吐出的彩色荧光茧和普通茧。第一行的图像是在白光下拍摄的，而其他三行在紫外线照射下拍摄。 (c)丝胶蛋白和丝素蛋白中各种荧光染料的数量变化。(d) 仿生丝素蛋白反蛋白石响应湿度的结构颜色变化。 (e) 反射峰与环境湿度之间的关系。(f) 蚕丝光导纤维制备示意图。 (g) 用于对蚕丝光导纤维进行成像和分析的装置示意图。 (h-i) 具有直线和波浪结构的蚕丝光导纤维的光学图像。 

图 15.蚕丝纤维用于能量收集器件。 (a) 用于摩擦纳米发电机（TENG）的核壳结构蚕丝纱线示意图。(b) 蚕丝/不锈钢一体化TENG纱线的 SEM 图像。 (c) 蚕丝纱线 TENG能量收集工作原理。 (d) 蚕丝TENG能量收集器件的应用。 (e) 集成在护膝中用于运动监测的蚕丝 TENG 的图片和输出信号。

  介观功能化丝纤维有望成为生物相容性可穿戴电子产品的重要组成部分，显着推动我们的生活进入互联网集成纺织品的新时代。该综述将作为通过丝介观结构功能化制备高性能功能蚕丝纤维的关键参考，这将有助于智能材料和软物质的全面研究。

  以上成果发表在Advanced Science上，该综述的第一作者是吴荣辉博士和马丽芸博士，通讯作者是刘向阳教授。

  论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202103981