四川大学卢灿辉Adv.Sci.：淀粉样原纤维界面静电自组装成多功能蛋白膜

淀粉样原纤维在天然和人造材料的开发中具有极大的应用潜力。然而，由于其脆性较大，因此淀粉样蛋白原纤维制备大面积的淀粉样蛋白质膜仍然是一个巨大的挑战。虽然通过自组装过程可以制备出多尺度的蛋白膜，但是目前直接以淀粉样原纤维进行自组装薄膜的制备工作还没有被报道过。得益于淀粉样原纤维特殊的结构，以及其具有等电点的特性，通过静电自组装过程进行蛋白质膜的制备，则可能是一种具有潜力的方法。

基于此，四川大学卢灿辉/苏黎世联邦理工学院Raffaele Mezzenga团队开发了一种淀粉样原纤维在空气-水界面的快速静电自组装来制造宏观和可调控的淀粉样蛋白膜的简便通用方法。在这项工作中，通过使用低分子量但高电荷的植酸作为静电胶凝剂用于淀粉样原纤维的界面组装。制备出具有可调物理和功能特性的高级功能性蛋白质薄膜。此外，受益于淀粉样蛋白原纤维对纳米粒子（如导电碳纳米管或磁性 Fe3O4 纳米粒子）的优异模板特性，作者构建了具有可调性质的多功能淀粉样蛋白薄膜，用于智能磁传感器的制备。该论文以“Interfacial Electrostatic Self-Assembly of Amyloid Fibrils into Multifunctional Protein Films”为题发表在Advanced Science上。

图1蛋白质薄膜的制备

蛋白质薄膜的制备

作者使用𝛽-乳球蛋白 (BLG) 用作模型蛋白以形成半柔性淀粉样蛋白原纤维，植酸作为物理交联剂进行膜的制备（图1）。制备好的薄膜可以很轻易的从基底上揭开，从而形成一张完整的自支撑薄膜，其在0.025 wt%的固体浓度下厚度约为0.3 μm（图2）。此外通过控制BLG和植酸的浓度，也可以进一步调控薄膜的厚度。这种界面组装策略具有可控性和易于从基板上移除的优点，并且可用于构建具有多种功能的淀粉样蛋白膜。此外，作者还通过将纳米材料掺杂到蛋白质薄膜从而实现其多功能性。例如作者将Fe3O4 磁性纳米颗粒掺杂到蛋白质薄膜中。通过施加外部磁场，则混合纳米纤维会沿着磁场的方向定向排列，从而制备出具有良好排列结构的杂化淀粉样蛋白膜，如图 3a 所示。

图2 蛋白质薄膜的结构

蛋白质薄膜的应用

作者将制备好的带有纳米颗粒的薄膜应用于磁性软体游泳机器人的开发。图3e显示了具有不同定向结构的机器人在磁场中的响应行为，其在水中的运动是通过使用外部永磁体驱动的。机器人体内排列的薄膜响应于施加的磁场，并且具有不同排列结构的游泳者在相应方向上以不同的速度被驱动。通过改变外部磁场的方向，可以引导游泳者沿着所需的运动轨迹运动。如图 3e所示，当手动改变磁铁的方向时，具有对齐的纤维结构的鱼形机器人通过手动驱动它沿着给定的轨迹移动。

图3蛋白复合薄膜的制备和应用

此外，作者还将碳纳米管掺杂入蛋白质薄膜中，制备出导电的复合薄膜。作者将两种不同的复合薄膜，应用于传感器领域。以PDMS为基底制备出三明治结构的材料（图4）。在受控应变下从两端预拉伸PDMS，从而在复合导电膜层中形成可逆微裂纹（图 4b），这些微裂纹为传感器在弯曲和释放循环过程中电导率的可逆变化提供了可能性。然后通过响应磁感应变形生成电信号来开发基于微裂纹的磁场传感器 (MMFS)。当磁铁从远处接近MMFS顶部的磁性层时，会导致MMFS弯曲。MMFS的弯曲会触发导电层的变形，并有助于同时读出电信号，从而实现磁感应。结果表明磁传感器的灵敏度最高灵敏度为 6% mT−1，此外借助这种独特的传感机制和磁感应变形，MMFS具有快速响应和出色的磁场传感性能。

图4三明治结构传感器的制备和性能

总结：作者为制备基于淀粉样蛋白的多功能薄膜和相关智能设备提供了一种方便、高效、可控的方法。

封面来源：图虫创意