弗萊堡大學(xué) livMatS 卓越集群的 Stefan Schiller 博士和 Matthias Huber 博士成功地開發(fā)了僅基于天然蛋白質(zhì)的肌肉。研究人員在《高級智能系統(tǒng)》雜志上提出的材料的自主收縮可以借助 pH 值和溫度變化進行控制。運動是由為此目的消耗分子能量的化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動的。“我們的人造肌肉仍然是一個原型，”席勒說。“然而，這種材料的高生物相容性以及調(diào)整其成分以匹配特定組織的可能性可能為未來在重建醫(yī)學(xué)、假肢、藥劑學(xué)或軟機器人技術(shù)中的應(yīng)用鋪平道路。”
過去，科學(xué)家們已經(jīng)將天然蛋白質(zhì)作為開發(fā)人造肌肉系統(tǒng)的基礎(chǔ)，并將它們構(gòu)建成微小的分子機器或聚合物。然而，目前還不可能開發(fā)出完全基于生物并在化學(xué)能的幫助下自主移動的合成肌肉材料。
基于天然蛋白質(zhì)彈性蛋白的材料
弗萊堡團隊使用的材料基于彈性蛋白，這是一種天然纖維蛋白，也存在于人體中，例如賦予皮膚和血管彈性。根據(jù)這種蛋白質(zhì)的模型，研究人員開發(fā)了兩種類似彈性蛋白的蛋白質(zhì)，其中一種響應(yīng)于例如 pH 值的波動，另一種響應(yīng)于溫度的變化?？茖W(xué)家們通過光化學(xué)交聯(lián)將這兩種蛋白質(zhì)結(jié)合在一起，形成了一種雙層材料。在這個過程中可以靈活地塑造材料并設(shè)定其運動方向。
可以在溫度變化的幫助下打開和關(guān)閉宮縮
研究人員通過使用化學(xué)能源作為燃料(在本例中為亞硫酸鈉)成功地誘導(dǎo)了節(jié)律性收縮。在振蕩化學(xué)反應(yīng)中，由于幾個反應(yīng)的特殊聯(lián)系，pH 在循環(huán)中發(fā)生變化，添加的能量通過材料的非平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化為機械能。通過這種方式，研究人員誘導(dǎo)材料以周期性方式自主收縮。他們還能夠在溫度變化的幫助下打開和關(guān)閉收縮：振蕩的化學(xué)反應(yīng)在大約 20 攝氏度的溫度下開始，材料開始有節(jié)奏地運動。在此過程中，可以對材料的某些狀態(tài)進行編程以使其呈現(xiàn)并用另一種刺激再次重置它們。
“由于它源自天然存在的蛋白質(zhì)彈性蛋白，并且由我們通過生物技術(shù)手段生產(chǎn)，因此我們的材料具有高度可持續(xù)性，這也與技術(shù)應(yīng)用相關(guān)，”席勒解釋說。“在未來，這種材料可以進一步開發(fā)以響應(yīng)其他刺激，例如環(huán)境中的鹽濃度，并消耗其他能源，例如從生物質(zhì)中提取的蘋果酸。”
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