研究中,在施力達到材料的降伏點時,蠶絲蛋白針的顏色會從藍色變為紅色(圖:Silk Lab)

美國塔夫斯大學(Tufts University)的研究人員在《美國科學院院刊》(PNAS)上發表了一項研究,該研究發明出一種由蠶絲蛋白製成的新型固體材料。其獨特之處在於,可以根據不同目的向材料中添加不同的功能性組分,使材料具備某種特定的生物、化學或光學特性,如受牽拉後顏色改變,在體內運送藥物,或對光產生反應。

用蠶絲蛋白制出仿生材料

蠶絲(silk)獨特的結晶結構,是自然界中最堅韌的材料之一,這得益於其組成中的一種非溶解蛋白:蠶絲蛋白(fibroin)。蠶絲蛋白可以對其它材料形成出色的保護作用,同時具有生物兼容性,並可以生物降解。

根據蛋白質的自組裝反應,研究人員用水基製造方法製成蠶絲蛋白的大塊三維材料。然後用水溶性分子控制大塊材料,制出奈米級至微米級等不同尺寸的固體樣式。製成的固體材料具有預先設計好的功能。

例如,研究人員製造出一種外科手術矯正釘,當它接近受力極限,將要失效時,顏色會發生改變。又如一種功能性螺絲,當暴露於紅外線時,可視需要進行加熱。還有一種生物兼容性材料,可以持續性施放酶等生物製劑。

暴露於紅外線時,可加熱至 160 度的功能性螺絲(圖:Silk Lab)

多種應用

可以預想,這種材料還有更多用途,例如預先攜帶生長因子或酶的整形外科材料、達到受力極限改變顏色的手術螺釘、感知並反應環境條件的螺釘和螺帽,以及可以重新塑形的家居用品。

塔夫斯大學生物醫學系教授歐曼尼托博士(Fiorenzo G. Omenetto)教授解釋,這項研究在生物大分子(蠶絲蛋白)中嵌入功能性成分,以控制生物大分子的自組裝,從而修飾其最終形式。這是製造高效的多功能性仿生材料的絕佳方法。

 

參考資料:

  1. Patrick Collins (December 2016). Engineers create programmable silk-based materials with embedded, pre-designed functions. Tufts Now
  2. Benedetto Marelli, Nereus Patel, Thomas Duggan, Giovanni Perotto, Elijah Shirman, David L. Kaplan, and Fiorenzo G. Omenetto, (December 2016). “Directed self-assembly of silk fibroin into bulk materials: Programming function into mechanical forms from the nano- to macroscale,” Proceedings of the National Academy of Sciences, DOI: 10.1073/pnas.1612063114.
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