11月29日，《Nature Communications》發(fā)布了一項(xiàng)來(lái)自蘇州大學(xué)的仿生材料的重要研究，題為Controlled microphase separation and strain programming in hydrogel fibers toward biomimetic architectures and properties，通過(guò)濕法紡絲技術(shù)，以蜘蛛絲的多級(jí)有序結(jié)構(gòu)為靈感，團(tuán)隊(duì)制備出具有蜘蛛絲般優(yōu)異性能的水凝膠纖維。論文通訊作者為蘇州大學(xué)現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室汪曉巧教授。

為何要模仿蜘蛛絲？

蜘蛛絲并非只是一種結(jié)網(wǎng)的絲線，而是億萬(wàn)年來(lái)進(jìn)化出的精密工程材料。它既堅(jiān)韌又強(qiáng)韌，還能彈性恢復(fù)，甚至能感知濕度變化而收縮。

(資料圖)

這些超凡特性源自蛛絲的多級(jí)有序結(jié)構(gòu)，在顯微鏡下，蜘蛛絲蛋白形成一種精妙的鋼筋混凝土式結(jié)構(gòu)：

1. 堅(jiān)硬的β-片層納米晶體（像鋼筋）：通過(guò)氫鍵緊密排列，提供強(qiáng)度和剛度。

2. 柔軟的蛋白質(zhì)無(wú)序區(qū)（像混凝土）：賦予纖維彈性和延展性。

3. 納米團(tuán)簇與取向的微纖：形成多級(jí)能量耗散機(jī)制，在受沖擊時(shí)通過(guò)多層級(jí)結(jié)構(gòu)逐步化解外力，避免瞬間斷裂。

這些特性使其成為理想的仿生模板。然而，如何用人工材料和經(jīng)濟(jì)的方法復(fù)刻這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，尤其是通過(guò)可規(guī)模化的纖維制造工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，一直是巨大的挑戰(zhàn)。

a：天然蜘蛛絲擁有精妙的多級(jí)結(jié)構(gòu)，是性能奇跡的藍(lán)圖；b：研究人員模仿這一過(guò)程，通過(guò)“濕法紡絲”形成初生纖維，再經(jīng)“后拉伸”進(jìn)行結(jié)構(gòu)編程

從蜘蛛吐絲到實(shí)驗(yàn)室紡絲

蘇州大學(xué)的團(tuán)隊(duì)在深刻理解了蜘蛛絲的結(jié)構(gòu)后，以其為靈感來(lái)源，成功開(kāi)發(fā)出可操作的化學(xué)與工程策略。

關(guān)鍵仿生策略一：用氫鍵網(wǎng)絡(luò)模擬“自然鋼筋”

蜘蛛絲依靠氫鍵形成堅(jiān)固的β-片層晶體。團(tuán)隊(duì)選擇兩種富含氫鍵基團(tuán)的高分子——聚丙烯酸鈉（PANa，含羧酸根）和聚丙烯酰胺（PAM，含酰胺基）。當(dāng)它們?cè)谔囟l件下混合時(shí)，羧酸與酰胺之間會(huì)形成密集的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，自發(fā)組裝成納米團(tuán)簇。這就像用化學(xué)方法在材料內(nèi)部構(gòu)建了無(wú)數(shù)微小的“樂(lè)高連接點(diǎn)”。

通過(guò)精確調(diào)控紡絲膠體的酸堿度（pH值），他們控制了羧酸基團(tuán)的質(zhì)子化狀態(tài)。在pH=4.1的微酸環(huán)境下，氫鍵形成最為理想，納米團(tuán)簇尺寸均勻（約50-100納米），分布致密，為材料提供了最優(yōu)的強(qiáng)化節(jié)點(diǎn)。

通過(guò)精確調(diào)控紡絲溶劑的種類、兩種高分子（PANa和PAM）的配比以及溶液的酸堿度（pH），研究人員可以控制纖維內(nèi)部納米結(jié)構(gòu)的形成，從而定制不同性能的纖維

關(guān)鍵仿生策略二：用應(yīng)變編程實(shí)現(xiàn)分子排列

蜘蛛在吐絲后，會(huì)用腿對(duì)絲進(jìn)行拉伸，這個(gè)過(guò)程叫“牽伸”，能使雜亂的高分子鏈高度取向排列，這是蜘蛛絲獲得高強(qiáng)度和高模量的關(guān)鍵。研究團(tuán)隊(duì)模仿這一生物過(guò)程，在纖維成型后，對(duì)其進(jìn)行可控的預(yù)拉伸（100%-400%），并在一定濕度下固定這種拉伸狀態(tài)。

預(yù)拉伸不僅使高分子鏈沿著纖維軸方向排列，還促進(jìn)了氫鍵網(wǎng)絡(luò)的重組和取向結(jié)晶的形成。經(jīng)過(guò)400%預(yù)拉伸的纖維，在X射線下顯示出高度的分子有序性，其結(jié)晶形態(tài)與蜘蛛絲中的β-片層晶體在功能上異曲同工。

對(duì)初生纖維進(jìn)行不同比例的預(yù)拉伸，會(huì)引發(fā)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多級(jí)演化

性能媲美天然蜘蛛絲

經(jīng)過(guò)上述仿生設(shè)計(jì)與精密調(diào)控，最終得到的PANa-PAM水凝膠纖維（PANa-PAM-400%）展現(xiàn)出令人驚嘆的綜合性能：

力學(xué)性能：韌性達(dá)118.7 MJ/m3，抗拉強(qiáng)度172.3 MPa，能從50%的拉伸中完全彈性恢復(fù)。一根比頭發(fā)絲稍粗的纖維（約0.5 mm2截面）能穩(wěn)穩(wěn)懸掛1公斤重物，相當(dāng)于其自身重量的11萬(wàn)倍。

智能響應(yīng)：在濕熱刺激下，纖維可產(chǎn)生高達(dá)60%的“超收縮”，并能輸出巨大的收縮應(yīng)力，展現(xiàn)出類肌肉的驅(qū)動(dòng)能力。經(jīng)二次預(yù)拉伸處理的纖維，其單位質(zhì)量做功能力（516 J/kg）遠(yuǎn)超生物肌肉（~39 J/kg）。

能量管理：阻尼效率高達(dá)96%，能迅速耗散沖擊能量，將自由落體重物的振蕩在數(shù)秒內(nèi)平息，在防護(hù)材料領(lǐng)域潛力巨大。

這些性能指標(biāo)使其在與天然蜘蛛絲及近年報(bào)道的各類仿生纖維的對(duì)比中，位于前列，尤其在韌性、阻尼和智能響應(yīng)的結(jié)合上表現(xiàn)突出。

超越復(fù)刻

這項(xiàng)研究展示了通過(guò)常規(guī)纖維制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)仿生結(jié)構(gòu)的可行性，也提供了一套“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-工藝調(diào)控-性能實(shí)現(xiàn)”的系統(tǒng)方法。

研究的價(jià)值不僅在于復(fù)刻了蜘蛛絲的性能，更在于提供了一條可規(guī)模化生產(chǎn)的路徑。研究所使用的原料成本低廉、生物相容性好，核心的濕法紡絲與后拉伸工藝與現(xiàn)有紡織工業(yè)兼容度高。在防護(hù)裝備、智能織物、軟體機(jī)器人、能量吸收材料等領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

編輯：郭郭

論文信息

發(fā)布期刊 Nature Communications

發(fā)布時(shí)間 2025年11月29日

論文標(biāo)題 Controlled microphase separation and strain programming in hydrogel fibers toward biomimetic architectures and properties

(DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66537-7）

關(guān)鍵詞： 納米 氫鍵 材料 光錐 高分子 蜘蛛絲 蘇州大學(xué)