【文章概述】
家蚕茧提取的丝素蛋白因其抗拉强度(740兆帕)，高韧性，柔韧性好，抗环境磨损能力强等特性而受广大研究者的喜爱。蚕丝薄膜的柔韧性使其与人类的曲线特征相匹配，刚度和韧性的结合可以保护它们在动态和承重力的作用下不会发生突然的机械故障。因此，基于丝绸的材料已被用于柔性生物电子学，如心脏传感器，脑电极，电子皮肤，以及各种类型的硬和硬植入物。目前，研究者已经通过原始尝试看到对使用基于丝绸的电子设备来人机交互的好处。但现有的材料很难像赋予其生命一样，同一种材料具有柔韧性、韧性、强度、柔软性、自愈性、黏附性和电性能。丝质材料具有很多性能，在未来丝质复合材料有可能成为下一代软电子材料的核心，从而弥合人机交互的壁垒。
【成果简介】
丹麦工业大学Alireza Dolatshahi-Pirouz从仿生学出发，通过将丝素蛋白（SF）和还原氧化石墨烯混合开发了一种名为“CareGum”的多功能复合材料。实验验证，CareGum表现出对任意和复杂表面的良好顺应性、3D可打印性、电导率提高10倍及杨氏模量增加四倍的优异性能。并利用这些独特优势制备一种可用于手势感应和符号翻译的自愈仿生手套。该研究使先进的CareGum材料在机器人、仿生学、软机器人、人机界面、3D打印电子和柔性生物电子等领域具有广阔的应用前景。
【图文导图】
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图1 CareGum的制备及其表征。
（a）用于制备 CareGum 的成分及产生 CareGum 复合材料的化学相互作用及其各种材料特性。
（b）不含和含有20%rGO、SF–TA和CareGum水含量作为rGO浓度函数的复合材料的照片。
（c） 复合材料的横截面SEM图像显示了其复杂的基体孔结构。
（d）原始组分和复合材料的FTIR光谱。
（e） 各种CareGum的二级结构组成。
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图2 CareGum的自愈合、织造和粘合性能。
（a）显示CareGum自愈能力的照片。
（b）自愈合复合材料的机械拉伸。
（c）不同时间间隔的自愈合CareGum-20%复合材料的光学显微镜图像。
（d）5分钟愈合后CareGum-20%复合材料的SEM图像。
（e） CareGum-0%和CareGum-20%复合材料在1分钟自愈前后的压缩应力-应变曲线以及在1、5和10分钟后计算的自愈效率。
（f）湿法纺丝生产的类纺织纤维及其加捻、自愈合能力。。
（g）在这里展示了CareGum-20%在不锈钢、玻璃、人体皮肤上的粘附力，以及在猪皮上的搭接剪切测量。
（h） 通过搭接剪切试验测量的不同表面上的粘着强度的比较。
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图3 力学分析。
（a） 使用Instron机械测试仪显示caregum拉伸的照片。
（b） 典型的CareGum应力-应变曲线。
（c） 显示拉伸分析得出的最大应力和应变值以及压缩应力和压缩杨氏模量值。
（d） 比较不同键型（氢键、离子键、共价键、金属配体、疏水键）交联水凝胶的拉伸应力与自愈时间的关系。
（e） 以30%应变对CareGum-0%和CareGum-20%以及CareGum-20%进行四次连续循环加载卸载，封装在3M VHB胶带中，直到此处显示600%应变。图中还描述了为每个循环计算的相应耗散能。
（f）复合材料的归一化电阻抗随应变、扭转和弯曲的变化。
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图4 化学流变性和印刷适性。
（a-c）流变特性，包括储能模量与温度（a）的函数关系、粘度与剪切速率（b）的函数关系以及应力与剪切速率（c）的函数关系。
（d-f）显示CareGum-20%可模塑性（d）、适形性（e）和可注射性（f）的摄影图像。
（g）一种照明LED灯的CareGum电路，可以在破损后自我修复，甚至在愈合的部分被拉伸后保持发光。
（h） 根据阻抗测量计算的rGO浓度的电导率。
（i） CareGum通过丝网印刷产生复杂的2D印刷结构。
（j） Caregum通过挤压印刷，在60摄氏度下使用1.5毫米喷嘴，印刷成复杂的3D结构。
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图5 一种自愈仿生电子手套。
（a）电子手套制作原理图及其潜在应用。
（b）电子手套监控的各种手势的照片，虚拟手在不同位置的相应图像，以及来自五个手指(五个通道)的相关信号反应。
（c）电子手套在受损和自愈状态下的不同手势及相应信号变化的照片。
【奇材馆点评】
本研究从仿生学为研究背景，结合丝素蛋白和还原氧化石墨烯的特性开发出多功能性CareGum材料。该材料不仅具有高机械韧性和破纪录的伸长率（≈25000%），还能够快速自我修复并且能够轻松塑造成复杂的形状和结构。可以通过湿纺产生薄的自修复纤维，生产具有组合材料特性的2D和3D软编织结构打开一个新的窗口。
【论文信息】
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The Manufacture of Unbreakable Bionics via Multifunctional and Self-Healing Silk–Graphene Hydrogels |
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Advanced Materials：（IF= 27.002） |
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Pub Date ：2021.07.11 |
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https://doi.org/10.1002/adma.202100047 |
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Firoz Babu Kadumudi, Masoud Hasany, Malgorzata Karolina Pierchala, Mohammadjavad Jahanshahi, Nayere Taebnia, Mehdi Mehrali, Cristian Florian Mitu, Mohammad-Ali Shahbazi, Tiberiu-Gabriel Zsurzsan, Arnold Knott, Thomas L. Andresen,and Alireza Dolatshahi-Pirouz |
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Department of Health Technology Technical University of Denmark Kgs, Lyngby 2800, Denmark |
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