清華大學：加點稀土，製備楊氏模量10GPa的輕質高強生物材料

基於蛛絲蛋白的生物蛋白纖維具備輕質且機械堅固的性能，從而引起了廣泛關注。目前，力學性能提升主要取決於重組蛋白的摺疊結構和超高分子量，這使得構建和表達目標力學蛋白的純度和產量的難度增加。因此，開發用於製造堅固輕質高性能生物纖維的替代策略尤為重要。

鑑於此，清華大學化學系劉凱、張洪傑研究團隊受啟發於貽貝類蛋白的多重作用力，藉助合成生物學技術，並充分發揮稀土在製備高技術材料領域的獨特優勢，通過引入稀土離子進行力學功能蛋白的體外翻譯後修飾，強化了稀土金屬離子和胺基酸側鏈鄰苯二酚之間的絡合作用，成功製備出具有高模量和高度可塑性的稀土蛋白生物纖維。此項工作為工程化製備輕質高強高模生物纖維提供了新的策略。相關論文以題為Proteinaceous Fibers with Outstanding Mechanical Properties Manipulated by Supramolecular Interactions近期發表在中國化學會旗艦期刊CCS Chemistry。

論文連結：

https://doi.org/10.31635/ccschem.020.202000231

研究人員通過蛋白質工程、生物合成等手段表達出一系列帶有正電荷的力學功能蛋白。然後通過靜電作用引入多巴胺側鏈基團，設計並製備了一種輕質、可強拉伸（~400%）、且具有高機械強度的生物蛋白纖維。與傳統生物纖維調控力學性能不同，該工作通過多引入多種超分子相互作用（包括靜電相互作用，金屬配位螯合，氫鍵和陽離子-π相互作用），所製備的蛋白纖維的機械性能得到有效地調控。

圖：生物法製備輕質高強高模稀土蛋白生物纖維及纖維高度可塑性

特別是使用稀土Tb3+離子進行體外翻譯後修飾，蛋白纖維中的楊氏模量（~10GPa）可與天然蜘蛛絲相當。另一方面，該類稀土生物蛋白纖維表現出優越的可拉伸性，高度可塑性以及強螢光性能。該類稀土生物材料兼具輕質高剛度和強度、生物安全性和光致發光的優勢，為探索及發展新一代可穿戴高技術材料提供了新的研究思路。

*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。

本文來自微信公眾號「材料科學與工程」。歡迎轉載請聯繫，未經許可謝絕轉載至其他網站。