剑桥大学PNAS：发现合成无毒高强度人工蛛丝新方法

【引言】

新的人造纤维在室温下由水凝胶的汤质材料纺丝制成，成本较低，生产过程绿色环保，同时具有许多真正的蜘蛛丝的神奇性质。如果实现商业化生产，其有望用于制造纺织品、传感器和其他材料。纤维材料对我们的日常生活有很大的影响他们的用途范围从纺织品到功能性增强在复合材料。虽然人造的制造过程纤维可能受到广泛的能量消耗的限制，蜘蛛可以容易地在室温下旋转丝纤维。最近，基于的材料在自组装水凝胶上，用动态宿主-功能性聚合物之间的客体交联。超分子纤维可以在室温下从该水凝胶中拉出。超分子纤维表现出更好的拉伸和阻尼性能比传统的再生纤维，如粘胶，人造丝绸和头发。该方法是可持续的替代目前的纤维制造策略。

【成果简介】

剑桥大学Oren A. Schermana（通讯作者）课题组在PNAS上发表了题为“Bioinspired supramolecular fibers drawn from a multiphase self-assembled hydrogel” 的文章。该研究团队利用98wt％的水组成超分子聚合物胶体水凝胶（SPCH）拉伸成均匀的超分子纤维。官能化聚合物接枝二氧化硅纳米颗粒，半结晶羟乙基纤维素衍生物等多次进行水性自组装长度缩放形成SPCH分子水平的相互作用和纳米纤维并表现出独特的组合刚度和高阻尼能力（60-70％）。由复杂组合产生以及SPCH内的“硬”和“软”阶段的相互作用和成分显着的阻尼性能分层结构的纤维。

【图文导读】

图1SPCH自组装

（A）CB在水中的两步三组分结合的示意图；

（B）层次结构的示意图。

图2SPCH的制作和流变特性

（A）倒置小瓶试验的照片，显示了水凝胶的形成；

（B）流变学在20℃（ω=10rad/s），材料表现出广泛的粘弹性；

（C）频率依赖的振荡流变学示意图；

（D）施加的振荡应变的阶跃应变测量的示意图。

图3SPCH的结构分析

（A）从SPCH储存器抽出的水凝胶丝的照片；

（B）纤维在水凝胶长丝经历快速脱水后，超分子的照片；

（C）超分子纤维的SEM图像；

（D）聚焦超分子纤维横截面积的离子束SEM图像；

（E-G）SPCH的内部结构的低温SEM图像显示其具有纳米尺度原纤维的层次性质特征；

（H，I）水凝胶长丝内的分子结构。

图4超静电和循环拉伸载荷的超分子纤维的机械性能

（A）纤维应力-应变响应的图示；

（B）经受单一纤维的代表性应力-应变曲线；

（C）代表性应力应变曲线；

（D）阻尼能力，恢复应变和永久变形的演变施加应变的线性拟合。

图5超分子机械性能的比较

纤维（红色）与其他典型的技术纤维的阻尼能力，超分子纤维超过生物丝绸，与之相当的粘胶，成为能量吸收应用的良好候选。

【小结】

该研究团队展示了组装分层SPCH的方法基于CB主客-体化学。 通过引入功能聚合物接枝二氧化硅NPs成功修改了内部凝胶的结构在纳米级并受益H1的半结晶性质，允许显着提高材料的弹性。已经报道从极高含水量中抽出的超分子纤维SPCH在室温下。合成生物相容纤维表现出强度和高阻尼的独特组合容易通过详细操作的能力了解层次组装结构和基础CB [8]主客-体化学。改变SPCH的化学和加工方法使得超分子纤维具有全范围的可调性能，促使纤维可以在低温下生产，更贴近可持续的纤维技术。

文献链接：Bioinspired supramolecular fibers drawn from a multiphase self-assembled hydrogel（PANS, 2017, DOI: 10.1073/pnas.1705380114）

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