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從導(dǎo)電到抗菌的全能選手，大豆蛋白與鎵打造新型功能復(fù)合材料
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時(shí)間：2024-09-30 15:05:37
在材料科學(xué)領(lǐng)域，不斷探索新型復(fù)合材料是推動(dòng)科技進(jìn)步的關(guān)鍵動(dòng)力之一。近日，一項(xiàng)令人矚目的研究成果引起了廣泛關(guān)注：Li Liu 和所在團(tuán)隊(duì)將鎵和大豆蛋白進(jìn)行巧妙結(jié)合，造出一種新型功能復(fù)合材料，為液態(tài)金屬微滴的應(yīng)用開辟了新視角。



一、新型復(fù)合材料的誕生背景



隨著現(xiàn)代材料科學(xué)的不斷發(fā)展，對(duì)新材料的需求日益增長(zhǎng)。室溫下呈液態(tài)的金屬因其獨(dú)特的物理化學(xué)特性，如卓越的導(dǎo)電性、室溫下的流動(dòng)性以及良好的生物相容性，逐漸成為科學(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn)。鎵作為一種典型的液態(tài)金屬，在生物醫(yī)學(xué)和柔性電子設(shè)備領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用。然而，鎵在空氣中極易氧化，這嚴(yán)重限制了它的導(dǎo)電性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。



                                                                



為解決這一問題，許多研究者嘗試將液態(tài)金屬鎵與其他金屬或聚合物材料結(jié)合，但往往會(huì)對(duì)液態(tài)金屬的生物相容性產(chǎn)生負(fù)面影響。相比之下，天然的生物大分子材料如蛋白質(zhì)和多糖，因其優(yōu)良的生物相容性和可降解性，成為理想的候選材料。在眾多蛋白質(zhì)中，尋找既具有還原性基團(tuán)又具備一定機(jī)械性能和穩(wěn)定性的蛋白質(zhì)材料，成為解決液態(tài)金屬氧化問題的關(guān)鍵。



二、大豆蛋白分離物復(fù)合材料的特性



（一）良好的導(dǎo)電性與機(jī)械性能



團(tuán)隊(duì)研發(fā)的這種含有鎵的大豆蛋白分離物復(fù)合材料，兼具良好的導(dǎo)電性和機(jī)械性能。當(dāng)材料中的鎵含量為 32% 時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)電性、生物相容性、淀粉樣纖維結(jié)構(gòu)良好性處于最佳狀態(tài)。



（二）一氧化碳?xì)怏w傳感應(yīng)用



在一氧化碳?xì)怏w傳感方面，該復(fù)合材料展現(xiàn)出良好的靈敏度和可逆性。它能夠在不同濃度的一氧化碳?xì)怏w下快速響應(yīng)，并在氣體去除之后恢復(fù)初始電阻，有望為環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)安全和智能家居等領(lǐng)域打造一氧化碳傳感器，非常適合用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)。



（三）電刺激抗菌特性



大豆蛋白分離物復(fù)合材料在電刺激抗菌方面表現(xiàn)出顯著特性。其應(yīng)用原理主要在于復(fù)合材料良好的導(dǎo)電性。當(dāng)施加電刺激時(shí)，電流通過復(fù)合材料，產(chǎn)生一系列物理和化學(xué)效應(yīng)，從而抑制細(xì)菌生長(zhǎng)并解決生物膜形成問題。一方面，電刺激可能改變細(xì)菌細(xì)胞膜的通透性，破壞細(xì)菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。另一方面，電流可能引發(fā)復(fù)合材料中的某些化學(xué)變化，產(chǎn)生具有抗菌作用的物質(zhì)。例如，可能促使鎵發(fā)生特定的氧化還原反應(yīng)，釋放出對(duì)細(xì)菌具有毒性的離子或活性氧物種。此外，大豆蛋白分離物自身可能也在一定程度上參與了抗菌過程，其特定的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)可能與細(xì)菌相互作用，干擾細(xì)菌的正常生理代謝。



這一特性使其特別適合于開發(fā)長(zhǎng)效抗菌涂層、手術(shù)工具或植入物，有助于減少術(shù)后感染和促進(jìn)傷口愈合。



隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟，這種材料還有望用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、柔性電子設(shè)備等領(lǐng)域。



三、科研 “烹飪” 的精準(zhǔn)把握



（一）制備過程的挑戰(zhàn)與解決方案



在確定將具有 β- 折疊結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)納米纖維與液態(tài)金屬鎵結(jié)合作為研究方向后，團(tuán)隊(duì)首先面臨的核心問題是如何有效誘導(dǎo)蛋白質(zhì)自組裝為纖維狀材料，并確保與鎵微納米顆粒的穩(wěn)定結(jié)合。



已有文獻(xiàn)中，乳球蛋白纖維常被用作微納米顆粒的載體，但制備需在 pH=2 的強(qiáng)酸溶液中進(jìn)行，而液態(tài)金屬鎵在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿溶液中易溶解并產(chǎn)生氫氣。經(jīng)過大量文獻(xiàn)參考，團(tuán)隊(duì)利用 30% 的乙酸溶液將大豆植物蛋白分離物分散，在 90℃下加熱并進(jìn)行超聲處理，隨后加入鎵的微納米顆粒。在降溫過程中，大豆蛋白分離物自組裝為具有 β- 折疊結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)納米纖維，形成大豆蛋白分離物 - 鎵復(fù)合材料。



（二）細(xì)節(jié)決定成敗



溫度控制



較低溫度（如 70℃）會(huì)導(dǎo)致纖維的機(jī)械性能下降，而 90℃是蛋白質(zhì)充分展開并形成納米纖維的最佳溫度。



                                             



超聲時(shí)間控制



初始的大豆蛋白分離物不溶于水，超聲過程將較大的團(tuán)塊分散成更小的團(tuán)塊，促進(jìn)其在高溫下溶解并展開，暴露出更多活性位點(diǎn)。合適的超聲時(shí)間能讓溶液從糊狀物轉(zhuǎn)變?yōu)橥该鳎藭r(shí)是最適合降溫的時(shí)機(jī)，過度超聲會(huì)導(dǎo)致溶液重新變渾濁，不利于自組裝。



鎵的顆粒大小



團(tuán)隊(duì)選擇了 400nm 的平均粒徑。如果顆粒太?。ㄈ?100nm），它們?cè)谒嵝原h(huán)境中與蛋白質(zhì)反應(yīng)過快，可能會(huì)產(chǎn)生氣泡以至于阻礙自組裝過程。



避免空氣流動(dòng)過快



在降溫和干燥過程中，只有保持均勻的蒸發(fā)，才能確保材料的完整成型。



（三）術(shù)語調(diào)整的波折



在撰寫論文時(shí)，團(tuán)隊(duì)最初采用 “淀粉樣纖維”（Amyloid fibrils）的術(shù)語，但由于該術(shù)語與阿茲海默癥的緊密聯(lián)系，容易引起誤解。后來，他們將其修改為 nanofibrils 納米纖維，突出了本次研究的重點(diǎn)，論文才得以順利發(fā)表。



四、未來展望與挑戰(zhàn)



（一）拓展應(yīng)用領(lǐng)域



團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將鎵與其他金屬合成的液態(tài)金屬合金與蛋白質(zhì)相結(jié)合，探索這些復(fù)合材料可能帶來的新的物理化學(xué)特性。此外，他們還將進(jìn)一步研究蛋白質(zhì)自組裝為納米纖維的機(jī)理，探討液態(tài)金屬對(duì)相分離和自組裝過程的調(diào)控能力，以拓展復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。



（二）面臨的挑戰(zhàn)



雖然這種新型功能復(fù)合材料展現(xiàn)出了巨大的潛力，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，如何進(jìn)一步提高材料的穩(wěn)定性和耐久性，如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)等問題都需要進(jìn)一步研究解決。



總之，大豆蛋白與鎵打造的新型功能復(fù)合材料為材料科學(xué)領(lǐng)域帶來了新的希望和機(jī)遇。通過不斷的研究和創(chuàng)新，相信這種復(fù)合材料將在未來的科技潮流中發(fā)揮重要作用，為各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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