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小木蟲論壇-學術(shù)科研互動平臺 » 材料區(qū) » 生物材料 » 前沿資訊 » 絲素蛋白珍珠層
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由于結(jié)構(gòu)和機械特性之間的一致性，生產(chǎn)輕型、機械強度強、韌性和生物相容性的材料在材料工程中仍然是一個重大的挑戰(zhàn)。受珍珠層的“砂漿”結(jié)構(gòu)，一種具有自然優(yōu)化的結(jié)構(gòu)-性能-功能關(guān)系的結(jié)構(gòu)，本研究通過整合冰模板和熱塑性成型技術(shù)，將絲蛋白（SF）作為一種以絲蛋白為基礎的珍珠層。SF珍珠層在微觀結(jié)構(gòu)上與天然珍珠層相似，其強度和韌性甚至優(yōu)于天然珍珠層。這些機械性能允許通過極端加工技術(shù)進行加工，如離子束光刻。此外，SF珍珠層可用于調(diào)制激光束的偏振率，產(chǎn)生明亮的結(jié)構(gòu)顏色。生物相容性、機械魯棒性、良好的加工性和可調(diào)著色使SF材料可以被用作結(jié)構(gòu)工程和生物醫(yī)學用途的塑料替代品，顯示了這種可植入設備在臨床轉(zhuǎn)化方面的發(fā)展前景。 研究內(nèi)容 1.SF珍珠層的制備工藝 圖1描述了制備SF珍珠層的兩步方法。第一步是冰模板技術(shù)，以產(chǎn)生固體、高度定向和多孔的SF泡沫。更具體的是，SF溶液（<3 wt%）包裹在頂部和側(cè)面包有絕緣材料的容器中，放置在冷源上。在這種情況下，只有SF溶液的底層與冷源接觸進行傳熱，而其他方向都是絕熱的。因此，SF溶液的底部會使溫度下降到零以下，從而導致冰沿溫度梯度場從下到上的方向生長。在這種定向凍結(jié)過程中，溶液中的SF會逐漸積累在冰晶的晶界上，并在晶體生長產(chǎn)生的剪切場下定向。因此，SF分子也被平行于冰晶的生長方向排列。冷凍完成后，合成的復合材料可以直接凍干，使冰晶升華為水蒸氣，其占據(jù)的體積成為孔隙，從而形成固體和多孔的SF泡沫。 2.泡沫的特性 這些SF泡沫很靈活，可彎曲，重量輕，可承受超過200 g的重量而不損壞。掃描電子顯微鏡（SEM）和二維小角度x射線散射（SAXS）的結(jié)果表明，孔隙和SF鏈確實沿縱向高度定向。當SF濃度從1wt%增加到3 wt%時，細胞壁的形態(tài)也逐漸從纖維狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閷訝罱Y(jié)構(gòu)。其中，壁厚從1μm增加到7 μm，孔徑從5μm增加到10μm。 3.SF泡沫材料的理化性能 此前，利用冰作為成孔劑的定向冷凍法已被廣泛應用于制備SF支架。然而，這些報道的方法通常采用高濃縮的SF溶液（>5 wt%）。因此，它們產(chǎn)生的SF泡沫以β-折疊構(gòu)象為主。由于交聯(lián)劑將SF連接到分子網(wǎng)絡上，β-sheet的形成可以提高材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和機械強度。然而，對于目前的制造路線，由于形成的交聯(lián)分子網(wǎng)絡不能進行熱塑性變形，過早形成的β折疊將阻止后續(xù)成型步驟的成功。因此，在當前體系中，溶液中的SF濃度控制在1~3wt%之間。兩種廣角x射線散射（WAXS）表征和傅里葉變換紅外（FTIR）光譜表明，使用這些濃度的冰模板SF泡沫的構(gòu)象與SF溶液狀態(tài)的構(gòu)象一致，以隨機線圈和/或螺旋（即絲I）結(jié)構(gòu)為主。在q=15nm−1和1650cm−1處，1維WAXS輪廓光譜和FTIR光譜的強吸收和寬吸收證明了這一點。 4.SF基質(zhì)的特性 如下圖所示，熱壓科幻泡沫制備的大塊材料的截面掃描電鏡圖像顯示珍珠狀微結(jié)構(gòu)，其中磚的長邊平行于x方向，“磚”之間的界面層起粘接作用。磚的厚度分布均勻，僅在1~3μm的范圍內(nèi)變化。此外，這些SF區(qū)域具有高度透明的透明度（在750nm處透明度達到77.3%），并且在偏振光下表現(xiàn)出明亮的雙折射顏色。這些結(jié)果也證明了采用上述設計的兩步法可以制備宏觀實用性和高透明的純蛋白珍珠層。 5. SF基珍珠層和天然珍珠層的力學性能 采用圖5所示的三點彎曲試驗，評估SF面積的力學性能，得到具有代表性的韌性應力-應變曲線（存在表觀屈服過程）。曲線呈現(xiàn)出優(yōu)雅的變形，沒有突然坍塌。在小應變下，其行為具有彈性，而在彈性狀態(tài)之外，加載曲線顯示出廣泛而溫和的下降區(qū)。SF珍珠的特殊強度（63.57 MPa/（g/cm3））甚至是（47.05 MPa/（g/cm3））的1.4倍。SF珍珠層的斷裂強度也是已知的中最堅硬的生物蛋白材料之一蟾毒靈角的2.6倍。含20%的SF珍珠層表現(xiàn)出典型的延性斷裂行為。SF珍珠在三點彎曲試驗中斷裂，而PEOSF珍珠即使在彎曲應變達到12%時也不會斷裂并彈性恢復其初始形狀。 采用J-R（J-積分抗斷裂）曲線方法對裂紋擴展階段的多種外部增韌機制進行了評價，穩(wěn)態(tài)斷裂韌性KJc可以描述材料的最大斷裂韌性。SF珍珠的KJc為12.5MPa·m1/2，明顯高于珍珠層（8.5MPa·m1/2）。 6.SF珍珠層光調(diào)制 SF珍珠層的周期性砂漿結(jié)構(gòu)使材料能夠操縱光，例如，調(diào)節(jié)偏振方向。如圖所示，波長為650 nm的入射圓形激光束經(jīng)過SF珍珠層后被調(diào)制成線形。然而，如果這些圓形激光束以隨機的分子排列通過SF縱束，則出射光仍然保持著圓形。光電二極管功率傳感器可以定量地評價SF珍珠調(diào)制在X和y方向上產(chǎn)生的偏振。無論是在X方向還是y方向，散射強度分布與洛倫茲函數(shù)吻合較好。因此，SF珍珠層誘導的激光偏振作用光可以定量預測，這是其在勢偏振成像中的應用的關(guān)鍵。 7.離子束光刻法刻蝕SF基質(zhì)層 制備的SF材料的結(jié)構(gòu)緊湊性和機械魯棒性使離子束光刻等嚴格處理技術(shù)的應用成為可能，為此可以混淆氦離子顯微鏡。我們證明了SF珍珠層也可以用于這種極端的光刻技術(shù)，以直接在其表面書寫任何想要的圖案。使用氦離子顯微鏡用鎵離子束蝕刻的SF珍珠層。不同的數(shù)字和復雜的模式被直接地“寫”在表面上。通過控制離子束的強度，可以調(diào)節(jié)蝕刻的深度。即使在空間分辨率高達20 nm時，蝕刻的圖案也顯示出良好的防御形狀和規(guī)則的邊緣。SF珍珠層的處理分辨率可小至150 nm。 此外，在蝕刻表面上檢測到相互連接的球狀聚集體，表面粗糙度約為85 nm。高分辨率的原子力顯微鏡圖像進一步顯示，在球形聚集體之間出現(xiàn)了納米粒子。利用納米紅外技術(shù)對這些骨料表面的化學成分進行了繪制。與未蝕刻區(qū)域的納米紅外光譜相比，在聚集體的光譜中都沒有酰胺I和II帶。這些結(jié)果表明，SF是降解的，而不是碳化的。模式SF珍珠層提供了一個很有前途的體外組織樣平臺，可以深入研究幾何特殊結(jié)構(gòu)對細胞發(fā)育的影響，部分原因是SF珍珠層的模量與致密骨組織的模量匹配良好。 在本研究中，我們將冰模板和熱塑性成型技術(shù)相結(jié)合，制造出由原始SF組成的人造珍珠層，這是一種從蠶繭中廣泛獲得的天然蛋白質(zhì)。在冰模板處理中，SF的濃度引導了SF的構(gòu)象和泡沫中孔隙的形態(tài)和比例。對于熱塑性成型，加工溫度、SF的水化狀態(tài)和施加壓力是三個重要因素。在原位超高壓紅外光譜分析結(jié)果和分子動力學模擬結(jié)果的指導下，構(gòu)建了與天然珍珠層非常相似的SF珍珠層。這些絲蛋白為基礎的珍珠是堅固和韌性，他們的強度和韌性甚至優(yōu)于天然的外殼。此外，SF珍珠層可以調(diào)制激光偏振，產(chǎn)生明亮的結(jié)構(gòu)顏色。它也可以使用極端的納米制造技術(shù)進行處理。生物相容性、機械魯棒性、良好的加工性和可調(diào)著色使SF珍珠層可以被用作塑料的替代品，用于結(jié)構(gòu)工程和生物醫(yī)學應用，為這種可植入設備的臨床轉(zhuǎn)化提供了有前途的進展。特別是，由于結(jié)構(gòu)和機械特性之間的一致性，生產(chǎn)輕質(zhì)、機械強、韌性以及生物相容性材料在生物材料工程中仍然是一個重大的挑戰(zhàn)。然而，這種生物材料迫切需要在廣泛的領(lǐng)域，如再生醫(yī)學和生物結(jié)構(gòu)支持工程。 論文鏈接：https://doi.org/10.1007/s42765-022-00171-6 |
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