具定向集水功能的新型人造丝 集水效率提升100倍

现实里没有蜘蛛侠,想拥有如天然蜘蛛捕丝般韧性高又亲水的物料,还得靠科学家的巧手。由香港城市大学(香港城大)科研人员领导的研究团队,早前研发出一款模拟天然蜘蛛捕丝结构特征的新材料。这款全丝蛋白基的人造丝,直径比人类的头发丝还要幼很多,质量更轻,同时具优异的水分收集性能,有望应用于户外收集水份,甚至生物医学材料。该项研究由香港城大生物医学工程学系教授兼可穿戴医疗保健材料实验室主任胡金莲教授领导。研究结果已经在学术期刊先进功能材料》(Advanced Functional Materials上发表,题为〈A Spider‐Capture‐Silk‐Like Fiber with Extremely High‐Volume Directional Water Collection〉。

用基因重组方式制备人造蛋白

天然的蜘蛛捕丝具有独特的结点结构(node structure),丝上会周期性地出现纺锤状的结节(periodic spindle knots),加上捕丝本身具有亲水等物理化学性质,因此能有效地定向收集大气中的水分,使在蜘蛛网上凝结成的水珠,向网的中心点汇聚。同时,天然蜘蛛捕丝韧性很高,而且在被拉长后一旦遇上湿气就会收缩,恢复到初始的长度,所以因缠住猎物而变了形的蜘蛛网,遇水便可以自行恢复原状。“这些特性引起了科学界的兴趣,但由于从蜘蛛身上收集捕丝费时失事,所以科学家用不同的方法制作出有相似特性的人造丝和新型材料,应用于缝合伤口用的缝线等方面。”胡教授介绍说。

图A是蜘蛛捕丝的结构、功能及表面化学;图B说明蜘蛛网因应环境变化的反应。(图片来源: DOI number: 10.1002/adfm.202002437)
图A是蜘蛛捕丝的结构、功能及表面化学;图B说明蜘蛛网因应环境变化的反应。(图片来源: DOI number: 10.1002/adfm.202002437)

胡教授的专长是研究纺织材料,对蜘蛛丝的生物模仿亦已经钻研多年。现时的人造丝多采用尼龙作为基底材料,表面再外加不同物料的涂层。但胡教授指出,蚕丝在吸湿性能和热稳定性都比尼龙优胜,更可生物降解,因此他们团队选用了蚕丝作为原材料,制作人造丝。

团队先通过基因重组的方式,制备出一种名为eMaSp2的重组蜘蛛丝蛋白。天然蜘蛛丝的结节主要是由亲水、粘性的糖蛋白组成,具有三种丰富的氨基酸(分别是丝氨酸(serine)、甘氨酸(glycine)和缬氨酸(valine));而eMaSp2正正同样大量含有上述这三种氨基酸,跟亲水的天然蜘蛛丝糖蛋白相似,因而能够提升材料的亲水性。

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团队研发的新材料以蚕丝为基底材料。图中白色的是蚕茧,旁边的是团队研发的重组蜘蛛丝蛋白eMaSp2溶液。
团队研发的新材料以蚕丝为基底材料。图中白色的是蚕茧,旁边的是团队研发的重组蜘蛛丝蛋白eMaSp2溶液。

团队然后采用浸渍法,将已脱胶的蚕丝浸泡在含有eMaSp2的溶液再取出。由于受“瑞利不稳定性”(Rayleigh instability)的影响(即液体倾向将表面面积缩至最小,最后因表面张力而断开成为一滴滴),沾在蚕丝表面的eMaSp2会断开成纺锤状,形成一个个隔开一定距离的“结”,就如天然蜘蛛丝上的周期性结节。而且显微镜影像显示,这些“结”的表面也如天然蜘蛛丝上的结节表面一样,并不平滑。胡教授解释说:“表面的不平滑增加了水和蚕丝接触的面积,因此提升了集水能力。”她又说︰“我们使制成的全丝蛋白基人造丝不论从物理结构到化学性质,均达致全方位的仿生效果。”

图A为制备这种全丝蛋白基人造丝的方法,将蚕丝浸渍在含有eMaSp2的溶液中,令蚕丝表面形成隔开一定距离的“结”。图B的显微镜影像显示这些“结”的表面并不平滑。(图片来源: DOI number: 10.1002/adfm.202002437)
图A为制备这种全丝蛋白基人造丝的方法,将蚕丝浸渍在含有eMaSp2的溶液中,令蚕丝表面形成隔开一定距离的“结”。图B的显微镜影像显示这些“结”的表面并不平滑。(图片来源: DOI number: 10.1002/adfm.202002437)

实验结果证明材料集水能力优越

研究团队就这种人造丝的集水能力进行实验。结果表明,蚕丝浸过eMaSp2后,集水效率大大提高:水分会聚集在“结”的附近形成水滴,相邻的水滴会聚结成更大的水滴然后悬挂在纤维上,直到重力超过水和纤维之间的表面张力,才会滴下。

研究人员更发现,水滴在没有浸过eMaSp2所以表面没有“结”的蚕丝上,大约只能悬挂250秒,而于浸过eMaSp2的蚕丝上,水滴可以悬挂690秒才滴下。胡教授说:“后者能收集到的水分体积,几乎是前者的3倍,令我们感到意外。”

胡教授指出,虽然这种人造丝最多可收集的水体积,只及现时尼龙人造丝相关最高纪录的三分之一,但比它轻了约252倍,而且集水效率(即集水体积与纤维质量的比率)更提高了近100倍。她说︰“若以同等的水体积比较,我们的材料比尼龙人造丝更幼,所以集水效率相比之下更高。”

她和团队下一步会深入研究材料的实际应用。她相信,由于这种材料很轻,便于携带和处理,可用于户外例如沙漠收集水分,而且材料可生物降解,并且已去除对人体有害的胶质,用于人体内应不会排斥,或可作生物医学用途。

她又补充,尽管基因重组蛋白比较昂贵,但是制备这种人造丝时所需的基因重组蛋白用量少,只要结合成熟的浸渍工艺以及已商业化生产的蚕丝,她相信这种人造丝具有规模化生产的潜力。

胡教授是论文的通讯作者。论文的共同第一作者是同样来自香港城大生物医学工程学系的Harun Venkatesan博士和中山大学生物医学工程学院的陈建铭博士,二人都是胡教授的博士生。研究团队的其他成员来自深圳湾实验室以及深圳北京大学香港科技大学医学中心。

具定向集水功能的新型人造丝 集水效率提升100倍
香港城大生物医学工程学系胡金莲教授(右)与她的学生Harun Venkatesan博士(左)。

这项研究获得香港研究资助局与国家自然科学基金委员会的资助进行。[香港城市大学]

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