上海科技大學(xué)凌盛杰課題組受生物組織工程中機械訓(xùn)練引發(fā)的結(jié)構(gòu)重塑的啟發(fā)，將之引入高水合絲基材料（絲蛋白水凝膠）的自增強進程中，實現(xiàn)了工程化機械訓(xùn)練誘導(dǎo)（圖1a）的高水合絲基材料結(jié)構(gòu)重塑及機械性能顯著增強，一改常識中對高水合絲基材料柔軟易斷裂破損的刻板印象。通過機械訓(xùn)練誘導(dǎo)所得的水合絲蛋白薄膜（含水量43±4%）斷裂強度和楊氏模量分別提高了8倍（達到4.7±0.9 MPa）及13倍（達到21.3±2.1 MPa）。該進程可以實現(xiàn)在分子鏈取向度、結(jié)晶度（高β－折疊含量）兩個方面的耦合式提高（圖1a）。機械訓(xùn)練誘導(dǎo)后的絲蛋白水凝膠材料的強度和剛度可比擬皮膚及牛皮，使得水凝膠材料獲得強度-韌性的平衡，填補了這類軟材料的綜合力學(xué)性能空白區(qū)。

此外，增強后的絲蛋白水凝膠本質(zhì)上具備與天然絲類似的二級結(jié)構(gòu)，取向的分子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)賦予其更多迷人的物理特性和潛在應(yīng)用功能：在偏振光下，絲基材料雙折射效應(yīng)隨著分子鏈取向的增加而凸顯（圖1b），因此可實時反映訓(xùn)練過程中材料趨向度的變化，而應(yīng)力雙折射效應(yīng)或可用于復(fù)雜應(yīng)力場的預(yù)測或者指示；另一方面，訓(xùn)練后高水合絲基薄膜展示出了可重復(fù)的“濕度-應(yīng)力”響應(yīng)曲線，顯示出濕度驅(qū)動的自折疊性（圖1c）。實驗結(jié)果顯示出這類材料具有用于搭建特殊功用軟體設(shè)備、服務(wù)于含組織工程在內(nèi)的前沿領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力。論文中所詳細闡述的高水合絲基材料力學(xué)增強過程機理也由分子動力學(xué)模型進行了佐證。


圖1.（a）機械訓(xùn)練的示意圖；（b）高水合絲基材料在偏振光下的不同訓(xùn)練時間的圖像；（c）濕度響應(yīng)折疊過程中高水合絲基薄膜變形角度與時間的呼應(yīng)關(guān)系，及偏振光下雙折射條紋的演化過程。
上?？萍即髮W(xué)凌盛杰教授為該論文通訊作者，其課題組中的2019級碩士生疏婷和2020級碩士生呂卓宸為共同第一作者。伯克利大學(xué)的Grace X. Gu教授和Chun-Teh Chen博士負責(zé)論文中粗粒化分子動力學(xué)模擬實驗。塔夫茨大學(xué)的David L. Kaplan教授在論文撰寫過程中提出了寶貴的建議。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院合肥科學(xué)中心卓越用戶計劃、博士后科學(xué)基金、上?？萍即髮W(xué)啟動經(jīng)費以及化學(xué)纖維與高分子材料材料改性國家重點實驗室的支持，上科大分析測試平臺、上海同步輻射光源、合肥同步輻射光源在該工作材料表征方面給予了大力支持。

論文信息：

Mechanical Training-Driven Structural Remodeling: A Rational Route for Outstanding Highly Hydrated Silk Materials

Ting Shu, Zhuochen Lv, Chun-Teh Chen, Grace X. Gu, Jing Ren, Leitao Cao, Ying Pei, Shengjie Ling*, David L. Kaplan

Small