柔性生物材料、纳米光学器件、可食用涂料、智能建筑材料……我说的是蚕丝的未来用途

原创 田野婧 我是科学家iScientist

蚕丝是长久以来吸引时尚界的优秀材质，由于其极佳的光泽和质感常被用来制作华服。然而其身为蛋白质的化学属性使它成为生物医学、光学、电子、传感、食品领域的抢手材料，在应用领域同时具备巨大前景。

近日，塔夫茨大学和宾夕法尼亚大学的学者发表了关于基于蚕丝制作的最新关键应用设备的评述，对蚕丝的天然结构、丰富的特性以及未来的应用趋势进行讨论，相关文章于2022年1月4日发表在《应用物理评论》(Applied Physics Review) 上。

生活中熟悉的丝绸制品应用前景也十分广阔 | Pixabay

电子器件

柔性生物材料越来越多地应用在物理、化学传感器的开发中。特别是蚕丝，由于其光学透明性、高介电常数、可调降解性、生物相容性/降解性以及机械稳定性等特点，也已被用于瞬态电子、透明导体、电池装置的基底，以及有机场效应晶体管和储存器件等有源元件的栅极电介质等多个领域。

小型传感器能够更加精确、便捷地提供关于我们个体和周遭环境的健康信息，尤其是基于生物相容性和可调节降解性的蚕丝，制作的电子设备在使用完毕之后可以完全降解或被生物吸收，或可应用于临时植入式传感器、一次性绿色电子产品和可穿戴设备。

丝膜的介电性能也高度依赖于它们的结晶状态，使用高结晶度、甲醇处理的丝绸作为栅极电介质制造的五苯薄膜晶体管（TFT）就表现出了低迟滞、高偏置稳定性和低导通电压的特性。同时蚕丝既可以用作原始基质，在调整丝素蛋白溶液时也能够作为可交互的固体形式使用。尖端制造技术加上蚕丝的多功能化学结构，可实现依靠光学和/或电化学信号传导的新型传感配置。

这些传感器件从环境监测到自适应的可穿戴装置领域均可应用，也使得未来新型人机界面的开发成为可能。

光学领域

再生丝素蛋白已成功地用于制造光学器件的基底，而光学领域的广泛应用，得益于其在可见光范围内的高透明度、丰富的功能化位点和易于室温水处理性。

基于蚕丝的功能光学器件制造路线示意图 | 参考文献[1]

同时，蚕丝由于低粗糙度、纳米级加工性、强机械耐久性的特质，也成为制作纳米级光学器件的理想材料。目前，蚕丝已用于生产光子晶体、光学衍射器件、回音壁模微谐振腔、光制动器等。

生物领域

良好的材料特性、生物相容性、降解性、可加工性以及相对温和的加工条件，使得蚕丝成为一种应用价值高的、潜力大的生物聚合物。

基于蚕丝的系统为活性治疗成分提供了一个缓释方式，控制其β折叠晶体结构就能够实现机械性能、降解速率及药物释放速率的控制，调整蚕丝物理化学特性，也能够实现高效的药代动力学控制，实现靶向作用，调节细胞内运输，从而提高治疗效果和病人的生活质量。

与其他合成聚合物相比，蚕丝对于环境可持续性和成本效益都具备优势。它无毒、无抗原性，并可降解为氨基酸，能被人体很好地吸收。蚕丝剂型可以在水性条件下和室温下加工，而无需在可能会损害活性成分的苛刻条件中产生，通过将蚕丝与其他生物材料相结合，有可能调整制剂的机械性能，创造出各种药物输送平台。

荧光改性的丝素蛋白在各种医疗环境中也同样都有应用。它通常作为一种可以被细胞吞噬的载体，用作活细胞成像或可视化体内丝素蛋白植入物的降解。近年来，已经开发了几种制造荧光丝素蛋白的技术：丝素蛋白的化学修饰、小分子荧光染料的功能化、荧光蛋白和纳米颗粒的共轭/捕获以及丝素蛋白的水热碳化到碳量子点，这些研究都为各种医学成像技术提供了材料。

食品及农业

蚕丝的可食用性也使它在农业、食品领域有广阔的应用前景。过去几年，将蚕丝纤维素应用在在食品供应链中是农业、食品安全和粮食安全领域的热门话题。

在农业领域，有研究者设计了一款丝素蛋白与海藻糖结合的种子包衣可用于提高作物产量。该种子包衣可以在土壤中封装种子，保存并释放生物肥料来促进种子发芽，同时减弱非生物应激源。

除了促进种子发芽，基于丝素蛋白的可食用涂料也成为一种保持作物新鲜的方法。丝素蛋白可食用、无味、透明、可生物降解、且具有出色的机械性能以及对氧气和水蒸气的低渗透性，涂层性能也能通过控制丝素蛋白晶型以实现。

材料制备及前景

除了以上列举的几大类别中的例子，蚕丝材料在各个领域得到了相当广泛的应用潜力。再生丝素蛋白的生物相容性首先在生物医学领域投入使用，而光学透明度和易功能化特性促进了其在光学，电子学和传感等学科的普及，甚至也作为重新设计的智能材料扩展到建筑领域。

丝绸的多种用途 | 参考文献[1]

但与所有天然材料相同，依靠蚕茧制造蚕丝的过程受环境影响极大，需要开发专门的、受监控的、自动化的大规模生产方法，以降低批次间的差异、外部污染物和环境造成的影响。

尽管基因工程技术可以实现更高的蛋白产量，但通过采用蚕茧养殖或在单细胞生物体中重组表达，最终也能实现具有新功能丝蛋白的生产。然而家蚕的纺丝过程是在其丝腺的微观尺度上发生的复杂机制，通过丝质纤维素的再生很难完全复现天然蚕丝的特性。因此，需要更好地了解天然蚕的纺纱过程，才可模仿蚕腺的原始环境，改善再生丝纤维素的特性。

参考文献

(1) Guidetti, G.; d’Amone, L.; Kim, T.; Matzeu, G.; Mogas-Soldevila, L.; Napier, B.; Ostrovsky-Snider, N.; Roshko, J.; Ruggeri, E.; Omenetto, F. G. Silk Materials at the Convergence of Science, Sustainability, Healthcare, and Technology. Appl. Phys. Rev. 2022, 9 (1), 011302. https://doi.org/10.1063/5.0060344.

作者：田野婧

编辑：靳小明

排版：尹宁流

研究团队

通讯作者照片 | https://ase.tufts.edu/biomedical/unolab/Fio.html

通讯作者 Fiorenzo Omenetto教授，塔夫茨大学Silklab的负责人，塔夫茨大学的Frank C. Doble工程教授、生物医学工程教授，塔夫茨大学工程学院的研究院长（Dean for Research for the School of Engineering）研究兴趣是技术、生物启发材料（biologically inspired materials）和自然科学的交叉学科，研究重点是用于高科技应用的可持续材料的新变革方法（new transformative approaches for sustainable materials for high-technology applications）。

邮箱：fiorenzo.omenetto@tufts.edu

第一作者 | https://ase.tufts.edu/biomedical/unolab/Giulia.html

第一作者 Giulia Guidetti，塔夫茨大学Silklab博士后，研究领域为结构颜色，包括光学和电子成像、光谱学和光学建模（structural colours and include optical and electronic imaging, spectroscopy and optical modelling）。

论文信息

发布期刊 《应用物理评论》（Applied Physics Reviews）

发布时间 2022年1月4日

文章标题 Silk materials at the convergence of science, sustainability, healthcare, and technology

(DOI: 10.1063/5.0060344)

原标题：《柔性生物材料、纳米光学器件、可食用涂料、智能建筑材料……我说的是蚕丝的未来用途》

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