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Nano Res.│东华大学武培怡教授团队:抽丝剥茧寻真相,新型“丝片”探奥秘:新型蚕丝蛋白纳米片的制备与组装研究

本篇文章版权为武培怡课题组所有,未经授权禁止转载。

背景介绍


蚕丝蛋白是一种可从家蚕 (Bombyx mori, B. mori) 中提取的丰富天然蛋白,由于其具有良好的生物相容性、可控的生物降解性、低免疫原性和高机械强度等优点,使得其近年来在生物医学、组织工程、先进功能性织物、可穿戴式传感器和光学器件等领域受到越来越多的关注和有着快速的发展。借助于通过自上而下 (top-down) 和自下而上 (bottom-up) 的高效剥离和制备方式,多种形式的丝蛋白纳米材料被陆续报道。但是在已报道的丝蛋白纳米材料中,大多局限于零维 (0D) 或一维 (1D) 结构。换句话说,丝蛋白相关的纳米材料由于其本身的高结晶度和复杂的层级结构,在二维尺度上具有高度保留的结晶度,迄今为止很少有相关2D丝蛋白纳米材料的报道。因此,扩展丝纳米材料在二维尺度上的发展仍然是一个具有挑战和富有意义的研究课题。。


成果简介


东华大学武培怡教授团队程宝昌博士提出了一种利用KOH/DMSO超碱溶剂体系将脱胶蚕丝纤维可控逐级剥离成丝淤浆 (silk slurry, SSL)、丝微纤维 (silk microfiber, SMF) 和有着良好结晶结构的丝蛋白纳米片层 (silk nanosheet, SNS) 的新方法。其中,获得的丝纳米片层有着比原丝纤维更好的性能,这启发作者们探索其在光学器件、染料截留、细胞培养和自组装工艺研究等方面的潜在应用。例如,SNS具有很强的可逆自组装能力,2.0 wt.% 的SNS溶液可在4 ℃条件下,无需任何额外刺激,一个月内即可自组装成含有丰富结构的微纤维。最后,作者期待这一具有代表性的工作将为构建具有独特性能的二维功能材料提供深入的见解,同时希望SNS能够作为填充组份去构建更多更为丰富性能和功能的丝蛋白材料。


图文导读


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图1 蚕丝纤维高效剥离层级过程图和实验结果。(a) 丝素蛋白的层次结构,从分子肽链到纳米片和微纤维。(b) 丝纤维剥离过程中随时间变化的SEM图像。(c) 时间依赖性HCTEM图像。(d) SNS在24 h (d-i和ii)和48 h (d-iii和iv) 的AFM图像和高度分布图。d-i和iii中的白线用于测量SNS在d-ii和iv中的高度。

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图2  HRTEM、24 h SNS的STEM图及元素分布。(a) TEM图像。(b) a图白色框中的选区电子衍射 (SAED) 图;(c) HRTEM展示晶格线;(d-e) STEM图;(f-j) 元素分布;(k) EDS能谱分析;比例尺: (a)和(e-j)为100 nm, (d)为300 nm。


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图3 SNS及与其他三种丝蛋白材料的特性分析比较。(a) 四种丝素溶液的紫外-可见吸收光谱;(b) 冻干丝粉末的时间依赖性红外光谱图;(c) 冻干丝粉末的XRD随时间变化的图谱;(d) SNS及其他三种丝粉末的TGA和DTG曲线。


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图4 SNS长期稳定性和SNS基膜对染料的分离性能。(a) SNS粉末图像;(b) SNS在浓度为5.0 wt.%的蒸馏水中具有良好的再分散性;(c) (b)中SNS的TEM图像;(d) SNS薄膜的光学图像;(e) SNS基膜的紫外-可见透射光谱;(f) SNS分散液通过真空抽滤组装成膜,用乙醇稳定;(g) 具有丰富离子通道的SNS膜及分离性能演示示意图;SNS基膜对不同染料溶液,如结晶紫 (CV)、甲基红 (MR)、亮蓝 (BB) 和甲基蓝 (MB) 的截留通量 (h) 和截留效率 (i) 对比。


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图5 人脐静脉内皮细胞 (HUVECs) 在含有SNS或丝纳米纤维 (SNF) 的DMEM 培养液中培养5天后的活/死检测荧光图像。(a) HUVECs荧光图像;(b) SNS, (c) SNF, (d) 对照组培养5d后细胞密度变化。比例尺为200 μm。


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图6 丝纳米片在4 ℃下1个月内重组成丝丝微纤维。(a) 2.0 wt.% SNS溶液1个月内外观变化的光学图像;(b) SNS微观形貌变化过程示意图;(c) 重组丝微纤维的FTIR光谱及其二阶导数曲线;(d-e) 重组丝微纤维在不同放大率下的SEM图像;(f) 图d中蚕丝微纤维的偏振光学显微镜 (POM) 图像。


作者简介


程宝昌,博士,于2022年1月毕业于复旦大学。博士期间主要从事多功能智能可穿戴传感器材料设计和器件组装,以及新型蚕丝蛋白纳米材料构筑的研究,以第一或共一作者身份发表SCI论文5篇,包括Adv. Healthcare. Mater. (正封面), ACS Nano, ACS Appl. Mater. Inter., Nano Research等。



雷周玥,博士,于2019年6月在复旦大学取得高分子化学与物理专业博士学位,2019年8月至今在哈佛大学工程与应用科学学院从事博士后研究。目前以第一/共同第一作者在Joule、Nature Communications、Advanced Materials 等杂志共发表SCI 论文近30篇,撰写专著1章,其中影响因子>10的论文16篇,Web of Science高被引论文 (材料科学领域前1%) 2篇。研究兴趣主要包括高分子凝胶材料的电学、力学、光学、和热学等基本科学问题,研究从分子结构、分子间相互作用到多层次微纳结构对宏观性能的影响关系,结合先进的表征和加工技术,充分挖掘和实现高分子凝胶材料的多功能化和智能化,特别是发展基于高分子凝胶的新型电子/离子材料,应用于仿生皮肤的智能传感、致动、药物输送和能量收集转换。


武培怡,博士,教授,博士生导师, 东华大学化学化工与生物工程学院院长,国家杰出青年基金获得者(2004),英国皇家化学(RSC)会士(2016)。课题组主要研究方向为二维相关光谱在聚合物体系中的应用、智能响应/仿生材料和聚合物功能膜等。


课题组主页:http://www.peiyiwu.cn/


文章信息


Baochang Cheng, Zhouyue Lei*, and Peiyi Wu*. Bio-derived crystalline silk nanosheets for versatile macroscopic assemblies. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4124-x.

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