厦门大学林友辉教授团队 Adv. Sci.：羊毛角蛋白作为结构生物材料和天然的介质构建高性能的生物电子

2023-02-26 来源：高分子科技

近年来，生物聚合物基柔性电子的设计制造在医疗保健、可降解植入器件和可穿戴设备等领域引起了广泛的关注。但目前天然聚合物合成的柔性电子器件仍存在稳定性差，不耐用和性能低劣等问题。

图1.a）羊毛纤维的多级放大结构。b）羊毛角蛋白分散碳管用于制备柔性电路和心电电极。c）羊毛角蛋白衍生的导电生物墨水与聚丙烯酰胺网络复合制备的可拉伸传感器。

在此背景下，厦门大学物理科学与技术学院林友辉教授团队首次采用羊毛角蛋白作为结构生物材料和天然的介质去构建高性能的生物电子（图1）。理论和实验的结果均表明，羊毛角蛋白独特的性能可以赋予碳纳米管优异的水分散性、稳定性和生物相容性（图2）。因此可以通过羊毛角蛋白与碳纳米管直接混合的方法制备分散性优异的导电生物墨水。所获得的导电生物墨水（WKCNT）可直接用于设计多功能和高性能的生物电子产品，例如柔性电路和心电电极。

图2.羊毛角蛋白制备导电生物墨水。实验与理论结果证明羊毛角蛋白对碳纳米管具有极强的分散性能。

更重要的是，羊毛角蛋白还可以作为连接碳纳米管与聚丙烯酰胺链的天然介质，增加了碳纳米管在聚合物网络中的分散性，从而得到具有优异机械和电气性能的应变传感器。凭借舒适且柔软的构造，这些羊毛角蛋白衍生的传感单元可以进一步组装成一个集成手套，并且用于实时手势识别（图3）和灵巧的机械臂操作（图4），表明羊毛角蛋白衍生的复合材料在可穿戴人工智能方面的巨大潜力。该工作以“Using Wool Keratin as a Structural Biomaterial and Natural Mediator to Fabricate Biocompatible and Robust Bioelectronic Platforms” 为题发表在《Advanced Science》上（DOI：10.1002/advs.202207400）。文章第一作者是厦门大学博士朱水洪。感谢国家自然科学基金、福建省“雏鹰计划”青年拔尖人才项目、福建省科技厅杰出青年基金、中央高校基本科研业务费及111计划的支持。同时感谢厦门大学吴晨旭教授、吴建洋教授、林昶旭副教授在理论模拟和机械臂操纵技术等方面的支持。

图3.羊毛角蛋白衍生的柔性电子器件用于手势识别。

图4.羊毛角蛋白衍生的柔性电子器件控制机械臂进行实验操作。

该工作是团队近期关于构建高性能天然聚合物基柔性电子相关研究的最新进展之一。天然聚合物（如蚕丝、角蛋白、纤维素和明胶等）由于其固有的生物相容性和环境可持续性，为可持续柔性电子产品的构建提供了另一种选择。该课题组已经探索了羊毛角蛋白在微纳米图案制造，细胞培养和柔性可穿戴器件等方面的应用（Adv. Mater. 2019, 31, 1900870；Small 2020, 16, 2000128; ACS Appl. Bio Mater. 2020, 3, 2891），并且系统性地论述了天然聚合物的图案化制备方法及其应用（Small Methods 2021, 5, 2001060）。

原文链接：http://doi.org/10.1002/advs.202207400

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（责任编辑：xu）

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