由神经元启发的用于信号传输的粘性人工蜘蛛丝

以下文章来源于Artificial Synapse ，作者Synapse

研究背景

神经元在生物体内传递信号，并激发了人工神经元材料的开发，用于柔性电子、智能设备和软体机器人。神经元纤维表现出优异的机械强度，在动态运动和移动过程中，强烈地粘附在组织和器官上，以保持其完整的形状和单一的功能，这在人工制备神经元材料方面很少被研究。蜘蛛的粘性丝表现出很高的强度和韧性，以及捕捉猎物的高粘性。这为设计具有良好附着力和机械强度的人工神经纤维材料提供了一个新的思路。

通过模仿蜘蛛丝的分子结构和纺丝工艺，已经纺出了多种具有优良机械性能的水凝胶纤维，如由纤维素和葫芦丝组成的超分子水凝胶纤维、与柠檬酸铁复合的弱作用水凝胶纤维、具有扭曲的核壳结构的聚丙烯酸水凝胶纤维以及分子内交联的纳米凝胶纤维等。基于水凝胶纤维的这些重要进展，如果引入粘附性和导电性的能力，具有良好的粘附性、机械坚固性和信号传输的人工神经纤维将成为可能。挑战在于如何在连续纺丝的基础上，调节分子间的相互作用和人工纤维的层次结构，从而实现机械和电气的优良结合。

对于蜘蛛纺丝，蜘蛛素在纺丝管道中进行离子交换和质子化，调节分子链之间的静电相互作用，从而获得良好的机械性能、粘附性，同时保持继续纺丝的能力。此外，模仿天然丝绸的分子间相互作用和分层结构是生产具有高机械性能的水凝胶纤维的关键策略。

研究成果

神经元表现出优异的信号传输能力，这激发了人工神经元材料在可穿戴电子和软机器人领域的应用。此外，神经元纤维通过粘附在器官上表现出良好的机械坚固性，这一点目前还很少被研究。在此，南开大学刘遵峰、中国药大周湘、东华大学朱美芳院士团队通过采用质子供体-受体 (PrDA) 水凝胶纤维开发了一种粘性人工蜘蛛丝作为人工神经元纤维应用。通过调节质子供体和受体的序列来调控分子的静电相互作用，使其具有优良的机械性能、粘性和离子传导性。此外，PrDA 水凝胶对广泛的供体-受体组合表现出高纺丝能力。PrDA 人工蜘蛛丝将为新一代人工神经元材料、生物电极和人工突触的设计带来启示。相关研究以“Neuron-Inspired Sticky Artificial Spider Silk for Signal Transmission”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. Schematic illustration of sticky PrDA artificial spider silk for signal transmission.

Figure 2. The draw-spinning capacity and mechanical properties of PrDA fibers.

Figure 3. Adhesion properties of PrDA fibers.

Figure 4. Ion conduction of the PrDA fibers for use as bioelectrodes.

Figure 5. Artificial synaptic transistor based on PrDA fibers.

总结与展望

综上所述，受神经元纤维的启发，在 PrDA水凝胶纤维的基础上开发了一种用于生物电信号传输的高可纺粘性人工蜘蛛丝。PrDA 纤维的齐聚物聚合物链使其具有较高的拉丝能力，良好的机械强度，以及对不同类型表面的良好粘性，适用于各种质子供体和受体组合。此外PrDA水凝胶纤维显示出很高的离子传导性，可作为理想的界面层来捕捉人体的生物电信号并传输到检测仪器上。从1 mL的 PrDA水凝胶中可以连续拉出1480 m以上的纤维，实现了270.38 MPa的机械强度和 9.17 MPa的搭接切应力，接近于蜘蛛粘丝的强度。导电性和粘性人工蜘蛛丝的设计将激发人工智能材料和设备的新设计，包括生物电极、人工突触、脑机接口和可穿戴电子设备。生物相容性的齐聚物分子链可以作为人工肌腿、肌肉和神经元进行组织修复的适用性。PrDA 纤维的连续纺丝将为制备用于能量阻尼的强韧纤维提供新的机会。对低温和回收的耐受性将使新型的智能纤维材料通过结合光、热和磁的特性而得以实现。

文献链接

Neuron-Inspired Sticky Artificial Spider Silk for Signal Transmission

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202300876

转自：“i学术i科研”微信公众号

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