原創 田野婧 我是科學家iScientist

蠶絲是長久以來吸引時尚界的優秀材質，由于其極佳的光澤和質感常被用來制作華服。然而其身為蛋白質的化學屬性使它成為生物醫學、光學、電子、傳感、食品領域的搶手材料，在應用領域同時具備巨大前景。

近日，塔夫茨大學和賓夕法尼亞大學的學者發表了關于基于蠶絲制作的最新關鍵應用設備的評述，對蠶絲的天然結構、豐富的特性以及未來的應用趨勢進行討論，相關文章于2022年1月4日發表在《應用物理評論》(Applied Physics Review) 上。

生活中熟悉的絲綢制品應用前景也十分廣闊 | Pixabay

電子器件

柔性生物材料越來越多地應用在物理、化學傳感器的開發中。特別是蠶絲，由于其光學透明性、高介電常數、可調降解性、生物相容性/降解性以及機械穩定性等特點，也已被用于瞬態電子、透明導體、電池裝置的基底，以及有機場效應晶體管和儲存器件等有源元件的柵極電介質等多個領域。

小型傳感器能夠更加精確、便捷地提供關于我們個體和周遭環境的健康信息，尤其是基于生物相容性和可調節降解性的蠶絲，制作的電子設備在使用完畢之后可以完全降解或被生物吸收，或可應用于臨時植入式傳感器、一次性綠色電子產品和可穿戴設備。

絲膜的介電性能也高度依賴于它們的結晶狀態，使用高結晶度、甲醇處理的絲綢作為柵極電介質制造的五苯薄膜晶體管（TFT）就表現出了低遲滯、高偏置穩定性和低導通電壓的特性。同時蠶絲既可以用作原始基質，在調整絲素蛋白溶液時也能夠作為可交互的固體形式使用。尖端制造技術加上蠶絲的多功能化學結構，可實現依靠光學和/或電化學信號傳導的新型傳感配置。

這些傳感器件從環境監測到自適應的可穿戴裝置領域均可應用，也使得未來新型人機界面的開發成為可能。

光學領域

再生絲素蛋白已成功地用于制造光學器件的基底，而光學領域的廣泛應用，得益于其在可見光范圍內的高透明度、豐富的功能化位點和易于室溫水處理性。

基于蠶絲的功能光學器件制造路線示意圖 | 參考文獻[1]

同時，蠶絲由于低粗糙度、納米級加工性、強機械耐久性的特質，也成為制作納米級光學器件的理想材料。目前，蠶絲已用于生產光子晶體、光學衍射器件、回音壁模微諧振腔、光制動器等。

生物領域

良好的材料特性、生物相容性、降解性、可加工性以及相對溫和的加工條件，使得蠶絲成為一種應用價值高的、潛力大的生物聚合物。

基于蠶絲的系統為活性治療成分提供了一個緩釋方式，控制其β折疊晶體結構就能夠實現機械性能、降解速率及藥物釋放速率的控制，調整蠶絲物理化學特性，也能夠實現高效的藥代動力學控制，實現靶向作用，調節細胞內運輸，從而提高治療效果和病人的生活質量。

與其他合成聚合物相比，蠶絲對于環境可持續性和成本效益都具備優勢。它無毒、無抗原性，并可降解為氨基酸，能被人體很好地吸收。蠶絲劑型可以在水性條件下和室溫下加工，而無需在可能會損害活性成分的苛刻條件中產生，通過將蠶絲與其他生物材料相結合，有可能調整制劑的機械性能，創造出各種藥物輸送平臺。

熒光改性的絲素蛋白在各種醫療環境中也同樣都有應用。它通常作為一種可以被細胞吞噬的載體，用作活細胞成像或可視化體內絲素蛋白植入物的降解。近年來，已經開發了幾種制造熒光絲素蛋白的技術：絲素蛋白的化學修飾、小分子熒光染料的功能化、熒光蛋白和納米顆粒的共軛/捕獲以及絲素蛋白的水熱碳化到碳量子點，這些研究都為各種醫學成像技術提供了材料。

食品及農業

蠶絲的可食用性也使它在農業、食品領域有廣闊的應用前景。過去幾年，將蠶絲纖維素應用在在食品供應鏈中是農業、食品安全和糧食安全領域的熱門話題。

在農業領域，有研究者設計了一款絲素蛋白與海藻糖結合的種子包衣可用于提高作物產量。該種子包衣可以在土壤中封裝種子，保存并釋放生物肥料來促進種子發芽，同時減弱非生物應激源。

除了促進種子發芽，基于絲素蛋白的可食用涂料也成為一種保持作物新鮮的方法。絲素蛋白可食用、無味、透明、可生物降解、且具有出色的機械性能以及對氧氣和水蒸氣的低滲透性，涂層性能也能通過控制絲素蛋白晶型以實現。

材料制備及前景

除了以上列舉的幾大類別中的例子，蠶絲材料在各個領域得到了相當廣泛的應用潛力。再生絲素蛋白的生物相容性首先在生物醫學領域投入使用，而光學透明度和易功能化特性促進了其在光學，電子學和傳感等學科的普及，甚至也作為重新設計的智能材料擴展到建筑領域。

絲綢的多種用途 | 參考文獻[1]

但與所有天然材料相同，依靠蠶繭制造蠶絲的過程受環境影響極大，需要開發專門的、受監控的、自動化的大規模生產方法，以降低批次間的差異、外部污染物和環境造成的影響。

盡管基因工程技術可以實現更高的蛋白產量，但通過采用蠶繭養殖或在單細胞生物體中重組表達，最終也能實現具有新功能絲蛋白的生產。然而家蠶的紡絲過程是在其絲腺的微觀尺度上發生的復雜機制，通過絲質纖維素的再生很難完全復現天然蠶絲的特性。因此，需要更好地了解天然蠶的紡紗過程，才可模仿蠶腺的原始環境，改善再生絲纖維素的特性。

參考文獻

(1) Guidetti, G.; d’Amone, L.; Kim, T.; Matzeu, G.; Mogas-Soldevila, L.; Napier, B.; Ostrovsky-Snider, N.; Roshko, J.; Ruggeri, E.; Omenetto, F. G. Silk Materials at the Convergence of Science, Sustainability, Healthcare, and Technology. Appl. Phys. Rev. 2022, 9 (1), 011302. https://doi.org/10.1063/5.0060344.

作者：田野婧

編輯：靳小明

排版：尹寧流

研究團隊

通訊作者照片 | https://ase.tufts.edu/biomedical/unolab/Fio.html

通訊作者 Fiorenzo Omenetto教授，塔夫茨大學Silklab的負責人，塔夫茨大學的Frank C. Doble工程教授、生物醫學工程教授，塔夫茨大學工程學院的研究院長（Dean for Research for the School of Engineering）研究興趣是技術、生物啟發材料（biologically inspired materials）和自然科學的交叉學科，研究重點是用于高科技應用的可持續材料的新變革方法（new transformative approaches for sustainable materials for high-technology applications）。

郵箱：fiorenzo.omenetto@tufts.edu

第一作者 | https://ase.tufts.edu/biomedical/unolab/Giulia.html

第一作者 Giulia Guidetti，塔夫茨大學Silklab博士后，研究領域為結構顏色，包括光學和電子成像、光譜學和光學建模（structural colours and include optical and electronic imaging, spectroscopy and optical modelling）。

論文信息

發布期刊 《應用物理評論》（Applied Physics Reviews）

發布時間 2022年1月4日

文章標題 Silk materials at the convergence of science, sustainability, healthcare, and technology

(DOI: 10.1063/5.0060344)

原標題：《柔性生物材料、納米光學器件、可食用涂料、智能建筑材料……我說的是蠶絲的未來用途》

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