SmartMat|综述：人造蜘蛛丝和功能性凝胶纤维的最新进展
学术
科技
2024-10-28 10:26
天津
Abdul Qadeer Khan, Muhammad Shafiq, Jiatian Li, Kaiqing Yu, Zunfeng Liu, Xiang Zhou, Meifang Zhu. Recent developments in artificial spider silk and functional gel fibers. SmartMat. 2023; 4:e1189.
https://doi.org/10.1002/smm2.1189
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开发高强度、高韧性的纤维材料是迫切需要的，但纤维强度的提高往往会导致韧性的降低。蜘蛛丝是由纺丝液经胶凝和拉伸纺丝工艺制成的具有高强度和高韧性的天然纤维材料。这促使人们通过模仿天然蜘蛛丝的材料、结构和纺丝来制备人造纤维。本文首先综述了以非重组蛋白、重组蛋白、多肽、合成聚合物和聚合物纳米复合材料为原料，通过凝胶法制备人造蜘蛛丝的研究进展。此外，还对人造蛛丝的不同纺丝方法进行了综述。第三部分综述了人造蛛丝在人造肌肉、传感、智能纤维等方面的新应用。
示意图 1. 介绍了韧性水凝胶纤维基材料的纺丝工艺、方法及其在各种技术和工业领域的应用。Copyright 2022, Wiley-VCH GmbH; Copyright 2022, Elsevier; Copyright 2020, American Chemical Society; Copyright 2017, Elsevier.图 1. (A)梯度图显示容易形成稳定纤维（绿色）和不稳定纤维（黄色）以及不形成纤维（红色）的样品。Copyright 2022, Wiley-VCH GmbH. (B)rTRM7纤维拉拔工艺示意图。Copyright 2022, Nature. (C)rTRM7纤维在拉丝过程中的照片。Copyright 2022, Nature. (D) 仿生纺丝原理图：将浓缩的NT2RepCT溶液通过玻璃毛细管挤出到含有pH为5的水缓冲液的纺丝浴中。pH值的变化和剪切力模拟了天然丝纺丝的条件，并诱导了纤维的立即形成。在收集轮上以46 cm/s的速度连续收集纤维。Copyright 2021, Elsevier.(E) MRSF纳米纤维在潮湿环境下的结构转变图，包括两个初始收缩期和周期性湿度驱动期。Copyright 2022, Elsevier. (F) 微生物合成的聚合淀粉样纤维促进了β-纳米晶体的形成，并表现出在千兆帕范围内的拉伸强度。Copyright 2021, American Chemical Society. (G) 仿生传感缝线（BSS）的制备工艺示意图，包括制备蛋白芯纤维的湿纺丝和外壳的涂层。Copyright 2021, Wiley-VCH GmbH. (H) 聚多巴胺纳米粒子（PDA NPs）功能化再生丝素（RSF）纤维的示意图。Copyright 2022, Wiley-VCH GmbH.
图 2.(A)纳米凝胶纤维纺丝示意图。Copyright 2022, Wiley-VCH GmbH.(B) 将本研究中纳米凝胶纤维的断裂应力和韧性与文献中其他典型的强韧纤维材料进行比较。Copyright 2022, Wiley-VCH GmbH. (C) 仿生介观组装膜（BMAF）在机械训练中的介观结构变化。Copyright 2022, Wiley-VCH GmbH. (D) “UC HYDROGEL”由19号针注入的水凝胶、用于可扩展生产水凝胶微纤维的自制纺丝机、几乎均匀直径的纺后纤维的显微图像和单纺水凝胶纤维的拉伸应力-应变曲线组成。Copyright 2021, Wiley-VCH GmbH.
图 3. (A)采用同轴静电纺丝工艺制备的SA示意图，其中内部流体和外部流体分别形成纳米核支撑和吸湿黏附纳米片。潮湿条件下单个吸湿蛛丝的光学图像。白色虚线表示吸湿粘合剂涂层的边界。Copyright 2021, Wiley-VCH GmbH. (B)图为一种制成的光学芯包覆水凝胶纤维。用于导光和采集的光纤输入输出装置示意图（上）和用于在半干燥条件下（湿光纤，非液体环境）获取光数据的实际实验装置（下）。Copyright 2021, Wiley-VCH GmbH. (C) 纤维制备及诱导水过程示意图。纺纱设备和纤维照片。Copyright 2022, Elsevier. (D)湿纺丝法制备未折叠蛋白RS-GA纤维示意图。通过将RS蛋白溶液挤压到含有GA的凝固浴中，然后使用马达收集，得到未折叠的RS-GA蛋白纤维。Copyright 2022, Wiley-VCH GmbH. (E) 两步拉伸法湿纺制备壳聚糖长丝及其分层结构。Copyright 2021, Wiley-VCH GmbH. (F) 基于矿物水凝胶的机械自适应智能织物原理图设计。将矿物水凝胶与具有双连续结构的PAAm水凝胶杂交，可得到热硬化弹性水凝胶和相应的鞘芯纤维。通过随后的另一种液态金属纤维共编织，最终制备出具有机械自适应和自供电传感性能的智能织物。Copyright 2022, Wiley-VCH GmbH.图 4. (A)通过胶凝制备有机/无机杂化纤维，后处理简便，随后用于能量转换的纤维TE发生器的组装。Copyright 2021, Elsevier.(B) 动态交联纺丝原理图。放大示意图显示了聚合过程的拉伸力。Copyright 2017, Elsevier.(C)用DIS方法制备变形水凝胶微纤维。结状水凝胶超纤维形成示意图。Copyright 2022, Elsevier.(D)多轴组合仿生纤维仿生微沟槽的形成及微沟槽助水输送。Copyright 2022, Elsevier.
图 5. (A)超伸缩自愈人工神经纤维（SSANF）有望成为仿生智能机器人的通信单元。SSANF的信息交互有助于将能量和信息传递到下一个部分。Copyright 2022, Wiley-VCH GmbH.(B) 除了LiCl浓度增加外，SSIH的电导率也增加。Copyright 2022, Wiley-VCH GmbH. (C) PDES纤维的制造原理图和优异的性能，包括在恶劣环境下的耐受性、透明度、拉伸性和可编织性。Copyright 2021, American Chemical Society. (D) 用于织物摩擦电纳米发电机的可生物降解、超强、导电的纤维素大纤维。Copyright 2022, Springer.
图 6. (A) 纤维应变传感器示意图，包括PU基础、Eco/CNT导电层、Ecoflex封装层和呼吸监测系统的照片。Copyright 2022, Wiley-VCH GmbH.(B) 设计的水凝胶混合探针的概念说明及其在减少对脑组织影响方面的应用。Copyright 2021, Nature.(C)在恶劣环境中用于隔热的纳米纤维凯夫拉气凝胶线示意图。Copyright 2019, American Chemical Society. (D) 具有前所未有的离子传导机械调节的高鲁棒离子电子纤维的游泳道启发工作机制。Copyright 2021, Wiley-VCH GmbH.
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作者简介
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刘遵峰，南开大学化学学院教授,国家杰出青年科学基金获得者。2008年获南开大学博士学位。2008年至2012年在荷兰莱顿大学伊拉斯谟医学中心和莱顿大学担任博士后和项目负责人。2013年至2016年，他担任常州大学教授。他的研究专长是可穿戴电子产品，人造肌肉和执行器领域，特别是高可拉伸电子互连，智能纤维和人造肌肉的开发。
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朱美芳，东华大学教授、中国科学院院士。于1986年和1988年分别获得中国纺织大学（Donghua University， DHU）化学纤维专业学士和硕士学位。1999年，她在德国德累斯顿工业大学（TUD）进行了为期一年的联合研究，并获得DHU博士学位。现任华东理工大学材料科学与工程学院教授、教育部长江学者。她目前的研究兴趣主要集中在纤维材料、有机/无机杂化纳米材料、智能水凝胶和绿色能源、环境和医疗保健生物材料的化学、性能和应用。
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