《Science》子刊：蛛丝遇上纤维素，择其善者而从之！

近年来，复合材料的力学性能吸引了大量的研究者。如何将高强度和高韧性两个看似矛盾的性能结合起来，成为人造复合材料的研究重点。蜘蛛的曳丝以其优异的力学性能，近年来已经引起了广泛的关注。基于蜘蛛丝的一系列仿生纳米复合纤维材料，以及化学修饰、物理结合的复合纳米材料层出不穷。

本文另辟蹊径，通过生物的方法将两种具有优异性能的生物材料——蛛丝蛋白和纳米纤维素——相结合，两者互补。结合了蛛丝蛋白的韧性和纳米纤维素的刚性，蛛丝蛋白作为基体材料，纳米纤维素作为增强体，实现高强度，高韧性，高刚度的纳米复合材料。通过将纤维序列引入到蛛丝蛋白序列中，克服了两个技术难点：1.作为增强体的纳米纤维素有序排列，并且彼此之间高效桥接；2.作为基质的蛋白质分子相互作用强，且具有较低的粘度和表面张力以确保增强体的融入。最后制备的复合纤维具备了纤维素和蛛丝蛋白的优点。

通过生物方法达到相分离从而保持了蛛丝蛋白的β折叠，克服了传统蛛丝蛋白复合材料的矛盾，实现了复合纤维材料的强韧一体化。仅加入约30%的蛛丝蛋白，其拉伸强度达到478MPa，是纯纳米纤维素纤维的1.5倍，断裂韧性是纯纳米纤维素纤维的1.2倍。相关论文以“Biomimetic composites with enhanced toughening using silk-inspired triblockproteins and aligned nanocellulose reinforcements”为题，发表在《Science Advance》上。

图1. 蛋白质设计，相分离的实现和复合纤维形成。图（A）是末端修饰了CBM基团的三嵌段蛛丝蛋白示意图。蛛丝蛋白序列（eADF3和ADF3）末端修饰CBM。（B）相差光学显微镜和相原子力显微镜表征的液-液分离团聚体。（C）扫描电子显微镜和高度原子力显微镜图像显示的高长径比的CNF网络。（D）CNF在团聚体基质中渗透不同时间的图像。（E）剪切应力诱导团聚体变形的光学显微镜图像。（F）凝固浴中的两根挤出纤维（CBM-ADF3-CBM：CNF，1:2，w:w）。单独使用CNF或任何含有CBM的蛋白质制成的纤维可以制备长达几米的纤维。（G）如果使用单一模块eADF3（缺乏CBM），则所得纤维容易破碎并且不能连续制备。

这种方法克服了复合材料领域的难题。在纤维素和蛛丝蛋白复合的过程中，由于纤维素的存在破坏了蜘蛛丝原本的β折叠结构。从而这种交联并没有达到增韧效果。而此实验通过蛛丝蛋白首先经历相分离，形成凝聚体，在此过程中，蛋白质链段之间形成相互作用，导致链段之间形成多个交联点。同时，在制备过程中蛋白质的构象由无序结构转变为β折叠结构。即随着时间的推移，具有无序或螺旋构象的富含ala序列的蛋白质会经历构象β结构的转变。蛛丝组装的机理尚未完全了解，但蜘蛛丝中β折叠的形成与分子网络有关，并通过分子网络增强了韧性。β折叠形成联锁区域，在蛋白链之间传递应力，增加蛋白质与蛋白质之间的相互作用，产生一个具有应力传递效率更高的基质。

高度有序排列的高长径比的纤维具有最高的抗拔性。纤维间的粘结抑制了纤维的拉拔过程，而纤维在裂纹尖端的桥接作用是纳米纤维材料增韧的一个重要的机制。而三嵌段蜘蛛蛋白能够通过有效抑制纤维滑移来增强这种效果。

图2. 复合纤维的性能。（A）修饰三嵌段蛛丝蛋白的CNF纤维和其他对比样品应力-应变曲线。（B）以不同蛛丝蛋白与CNF比率制备的复合纤维应力-应变曲线。（C）基于不同蛋白质的复合纤维应力-应变曲线。（D）蜘蛛图表示由基于不同蛋白质制备的复合纤维性能范围。（E）表示复合纤维的韧性值。即（C）中所示的曲线中计算出的断裂功。（F）取向和非取向的CNF复合材料以及纯的CNF应力-应变曲线。

实验发现的蛋白质与CNF的最佳比例可以通过考虑纤维在拉伸过程中的滑动来确定。蛋白质有效地抑制了纤维的滑动，但过多的蛋白质导致脆性增加，而过少的蛋白质则不能充分抵抗纤维的滑动。实验得到的蛋白质的最佳比率约为30% （天然产物中约为5%-15%）。

图3. 乙醇对蛋白质构象和CBM与纤维素结合的影响。（A）处于凝聚态的三嵌段蛋白CBM-eADF3-CBM的圆二色光谱（蓝色曲线）和用乙醇凝固后的圆二色光谱（橙色曲线）。光谱显示出了从无规卷曲或α螺旋到高度β折叠的转变。（B）凝聚态（蓝色曲线）和乙醇凝固后（橙色曲线）CBM-eADF3-CBM的核磁共振碳谱（脂肪族部分）对比图。（C）CBM-eADF3-CBM凝聚层的衰减全反射（ATR）-FTIR光谱，显示在凝聚态中出现的1638cm-1处的酰胺键（蓝色曲线），并且在凝固和干燥后，该峰移动至1622cm-1（橙色曲线）。（D）卡通图解释了红外光谱中酰胺键的位移是由于CBM-eADF3-CBM的构象在凝聚态中的（蓝色曲线）和凝固干燥（橙色曲线）状态下发生了改变。（E）电泳凝胶显示CBM与CNF稳定结合，不会被水或乙醇除去。

图4. 纤维的SEM断口形貌图。（A）拉伸测量试验后纤维的断裂截面。具有三嵌段蛋白CBM-eADF3-CBM的样品和CBM-ADF3-CBM显示的表面比其他样品具有更少的撕裂。（B）对比样品的断口形貌图。纯CNF，CBM-CBM&CNF以及CBM-eADF3-CBM&CNF复合纤维的断口形貌的高倍放大图像。在此放大倍数下，可以看出CBM-eADF3-CBM纤维具有明显的圆形尖端和纤维束。

图5. 断口形貌形成机理假说。左边代表没有蛋白质的纤维素纤维，右边、代表以三嵌段蛋白质为基质的纤维。不同颜色的纤维区域凸显出没有蛋白质作为基体材料时，复合纤维的松散状态，在受到应力时，纤维之间形成了大量的空隙，从而导致纤维脆性断裂。而具有三嵌段蛋白作为基体材料的纤维中，三嵌段蛋白对纤维素的粘结性阻碍了裂纹扩展，耗散大量能量，从而使其力学性能提高。

该工作另辟蹊径，通过生物方法通过相分离在保证了蛛丝蛋白β折叠结构的同时引入CNF，克服了传统复合纤维强度韧性的矛盾。蛋白质基质作为粘结剂阻碍了纤维的滑移和拔出，使得其韧性提高；而高度取向的纤维素又保证了拉伸强度，从而达到了强度韧性同时增强的效果。