由蛋白質制成的人造肌肉

弗萊堡大學 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反應驅動的。“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、假肢、藥劑學或軟機器人技術中的應用鋪平道路。”

過去，科學家們已經將天然蛋白質作為開發(fā)人造肌肉系統(tǒng)的基礎，并將它們構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能的幫助下自主移動的合成肌肉材料。

基于天然蛋白質彈性蛋白的材料

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。根據這種蛋白質的模型，研究人員開發(fā)了兩種類似彈性蛋白的蛋白質，其中一種響應于例如 pH 值的波動，另一種響應于溫度的變化?？茖W家們通過光化學交聯(lián)將這兩種蛋白質結合在一起，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定其運動方向。

可以在溫度變化的幫助下打開和關閉宮縮

研究人員通過使用化學能源作為燃料(在本例中為亞硫酸鈉)成功地誘導了節(jié)律性收縮。在振蕩化學反應中，由于幾個反應的特殊聯(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)轉化為機械能。通過這種方式，研究人員誘導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閉收縮：振蕩的化學反應在大約 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彈性蛋白，并且由我們通過生物技術手段生產，因此我們的材料具有高度可持續(xù)性，這也與技術應用相關，”席勒解釋說。“在未來，這種材料可以進一步開發(fā)以響應其他刺激，例如環(huán)境中的鹽濃度，并消耗其他能源，例如從生物質中提取的蘋果酸。”

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