絲蛋白在光電傳感器應用中的研究進展

楊梅，楊明英

（浙江大學動物科學學院，浙江杭州 310058）

絲蛋白在光電傳感器應用中的研究進展

楊梅，楊明英＊

（浙江大學動物科學學院，浙江杭州 310058）

近年來，隨著學科交叉的深入，科學家們對絲蛋白在光、電和磁等性質(zhì)方面的獨特性能有了更多了解，并結(jié)合其在生物醫(yī)藥方面具有的優(yōu)越性能如生物相容性、降解性等，開發(fā)出了一系列在生物活性上有獨特優(yōu)勢的高科技領域的光、電和磁器件。這些研究拓展了絲蛋白作為一種優(yōu)越生物醫(yī)藥基材的應用領域，對生物傳感材料的發(fā)展具有重要意義。

絲蛋白；光電磁器件；生物傳感

絲蛋白材料因其良好的力學性能、優(yōu)越的生物相容性、降解性以及多樣而相對簡單的加工制作方式還有可調(diào)控的結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，在生物醫(yī)藥領域具有廣泛的潛在應用價值［1］，也因此，關(guān)于絲蛋白的研究多集中在基于絲蛋白作為生物材料的功能性研究。隨著近年來環(huán)境保護領域的需求以及信息技術(shù)發(fā)展帶來的對光電材料的大量需求，結(jié)合學科交叉開發(fā)出可持續(xù)的、在生物領域更具應用價值的綠色材料替代目前的塑料、半導體和無機基質(zhì)，是一種必然趨勢。本文主要就近年來絲蛋白材料在生物傳感器方面的一些研究與應用做簡單的介紹。

1 絲蛋白材料概述

絲蛋白材料因其特殊的結(jié)構(gòu)和生物學特性成為了天然高分子生物材料的代表。從材料科學的角度來看，蜘蛛絲和蠶絲是當前已知的天然絲中強度最好的絲，并且為其多種功能化目的下與其它材料的生物復合、可加工調(diào)控提供了可能。

近年來關(guān)于絲蛋白結(jié)構(gòu)與加工性能之間關(guān)系的研究主要包括對自組裝作用、水在加工組裝過程中的作用、修飾天然蛋白質(zhì)的多向選擇性等方面的研究。這些研究促使絲蛋白尤其使絲素蛋白具有了更多新的應用形式如水凝膠，薄膜，保形涂層，三維多孔或固體基質(zhì)，納米級材料以及一些其它相關(guān)的材料形式［2-3］。更重要的是，絲蛋白可以在溫和的條件下（水環(huán)境、室溫、中性pH）加工，形成機械性能穩(wěn)定、生物相容性好的可食用可移植入人體內(nèi)的安全材料。

絲蛋白因其良好的機械性能、通過在加工過程中控制含水量達到控制結(jié)構(gòu)性能的簡便性、可控的生物降解性能和獨特的光學和電學性質(zhì)而區(qū)別于其它應用于高科技領域的生物高分子材料。這些性能還有助于在絲蛋白材料中引入生物活性物質(zhì)并保持或延長其生物活性，在一定程度上改變傳統(tǒng)光/電/磁材料（通常在生物惰性基板上制造）的應用范疇，開發(fā)出可與“環(huán)境互動”的設備如更先進的生物傳感器［4-5］。

2 在光電領域中的應用

2.1 材料的制備

從天然蠶繭到再生絲素溶液的制備對于絲蛋白材料的多功能多領域的應用具有重要意義。天然絲素纖維的結(jié)晶度高而難以生物降解，影響了絲素纖維作為醫(yī)用材料的應用。同時天然絲蛋白雖然具有良好的生物相容性，但移植入動物體內(nèi)易引起炎癥反應。研究表明，引起炎癥反應的主要是絲膠。因此，從原絲繭去除絲膠蛋白是絲蛋白應用于生物醫(yī)學等領域必不可少的過程。將天然蠶繭在Na2CO3或NaOH溶液中煮沸即可除去蠶絲上的絲膠，要得到再生絲素蛋白水溶液，可以用LiBr或LiSCN，NaSCN和ZnCl2或CaCl2/H2O/EtOH混合液將絲素纖維溶解，再通過透析除鹽。得到的絲素蛋白水溶液可最終制成不同形式和功能的材料如水凝膠，組織纖維骨架，薄膜等應用于生物醫(yī)學領域［6］。

再生絲素由于溶劑的作用，部分分子鏈斷裂，使得分子量比天然絲素的分子量有所降低。再生絲素溶液可以通過簡單的各種有機物質(zhì)的混合（如細胞、蛋白質(zhì)和酶）或無機物（如金屬納米粒子摻雜到溶液）進一步活化，無論是未摻雜或摻雜的溶液都可以通過旋涂、澆注或直接噴墨，打印到具有表面二維和三維/微納米圖案的基底上，從而在絲蛋白膜上復制出具有幾十納米分辨率的相應圖案，并制成一系列基于絲蛋白材料的光學器件，如衍射光柵、濾光片、棱鏡、微棱鏡陣列、二維衍射光學器件、光子晶體和波導管等，在制備過程中，絲素蛋白分子通過自組裝在不需要外源性交聯(lián)反應或后處理的條件下，形成穩(wěn)定的具有特定圖案的薄膜（作為光學元件）或機械性能、生物相容性良好的其它元件。用由天然蠶繭得到的再生絲素溶液制備光子/電子器件的方法主要有旋涂法、軟刻蝕法、納米壓印法、噴墨打印法、模板噴涂法、接觸式印刷法等。

Agarwal等（1997）研究發(fā)現(xiàn)，納米壓印成膜與玻璃化溫度的調(diào)控有關(guān)，玻璃化溫度又與絲素膜的含水量有關(guān)。通常情況下，絲素膜被加熱至100℃的具有納米級二維圖案的模版壓印幾秒，隨后立即退火大概1min然后機械地將模版移去。而薄膜水的飽和度會影響玻璃化溫度，在絲素膜被壓印前于膜表面增加少量水（增大膜所處環(huán)境的濕度）可以將玻璃化溫度從100℃降至室溫，退火后的膜數(shù)年內(nèi)都可以在一般的環(huán)境下保持結(jié)構(gòu)性能的穩(wěn)定［7-8］。這種方法不僅大幅度簡化了納米壓印制備膜的程序，提高了所得膜的質(zhì)量和產(chǎn)量，也解決了軟刻蝕中退火后將膜與納米壓印模版分離時的難操作問題［9-10］，為絲蛋白自感應光流體器件的快速生產(chǎn)提供了可能性。

2.2 材料的功能化

2.2.1 光響應性傳感器

利用絲蛋白納米圖案中的光子晶格具有二維納米點陣圖案且不同點陣常數(shù)可呈現(xiàn)出不同顏色的特性，能夠制備基于絲蛋白光學器件的功能性傳感器，可用于葡萄糖濃度監(jiān)測［11］。該類光學器件如光柵，可根據(jù)納米級有序陣列的確定性，預測特定蛋白質(zhì)薄膜的散射特性。其原理依賴于布拉格散射現(xiàn)象，即在特定波長下，光的傳播方向與介質(zhì)的結(jié)構(gòu)周期性以及折射率等有明確的關(guān)系，從而通過設計納米絲素膜表面的非周期性結(jié)構(gòu)（不同點陣常數(shù)的納米壓印實現(xiàn)），由白光照射在不同結(jié)構(gòu)（由被檢測物質(zhì)決定）時的顏色定位實現(xiàn)監(jiān)測。而經(jīng)過對氨基苯甲酸化學接枝改性后的絲蛋白光流體器件可用于pH傳感器［12］。

2.2.2 生物活性傳感器

再生絲蛋白水溶液的加工條件溫和，且絲蛋白具有良好的生物相容性，因此在摻雜藥物和生物活性物質(zhì)如細胞、酶等在適當方法加工后得到的材料可以實現(xiàn)生物功能性和光學性質(zhì)的轉(zhuǎn)換并用于生物檢測，即具有“互動性”的生物傳感器。如摻雜血紅蛋白后，基于絲蛋白的器件能用于檢測氧氣濃度［13］，甚至還實現(xiàn)了對腫瘤部位進行成像，然后將所載藥物進行可控釋放，并對藥物釋放情況及治療效果展開監(jiān)測［14］。

2.2.3 納米顆粒摻雜的絲蛋白

如前所述，再生絲蛋白溶液可以通過加入合適的摻雜劑而制備功能化的元件，這與絲蛋白材料作為藥物載體的成功應用具有相似性。關(guān)于在絲蛋白基體中添加納米無機物如二氧化硅、羥基磷灰石或者熒光染料和有機物如藥物、其它對溫度敏感的聚合物來制備有機/無極雜化材料的研究已經(jīng)有很多。最近，摻雜金納米顆粒的絲蛋白膜已應用于與商業(yè)化的微型無線電源相連接的熱電效應元件。在這些實驗中，摻雜了Au納米粒子的絲蛋白膜，通過將溶液澆鑄到芯片的有源區(qū)，連接到熱電效應裝置。使用輸出功率高達450毫瓦/平方毫米的連續(xù)波綠光激光器，在532 nm下Au納米顆粒的吸收峰引發(fā)了絲蛋白層溫度的升高，從而又產(chǎn)生了高達20兆瓦的電力。其中對功率的要求可以通過增加摻雜的金納米粒子的濃度或者減小膜的厚度實現(xiàn)進一步的優(yōu)化［15］。

2.3 應用于傳感器的絲蛋白

通過集成單晶硅電子策略，將納米膜狀的單晶硅晶體管或超薄的電極陣列，轉(zhuǎn)印到經(jīng)旋涂或澆鑄制備的絲蛋白膜上，可得到柔韌且可調(diào)節(jié)溶解度并能被降解吸收的可植入型生物醫(yī)用電子器械，與機體表面接觸后則能成為一種高性能的絲蛋白基復合柔性電子器件。如將得到的電子器件植入到柔軟的大腦后能夠?qū)Υ竽X神經(jīng)信號進行檢測，對臨床疾病的診斷和治療具有重要意義［17］。而通過噴墨打印、納米壓印、旋涂澆鑄等方式將具有微納米結(jié)構(gòu)的金屬圖案或石墨烯結(jié)構(gòu)復制到絲蛋白膜上，可以制成傳感器從而實現(xiàn)對食品質(zhì)量的跟蹤監(jiān)測；將傳感器貼附于牙齒表面還可實現(xiàn)對呼吸性能和細菌的檢測［18］。

3 展望

隨著對絲蛋白結(jié)構(gòu)和性能的進一步認識和更深入的了解，制備出以絲蛋白為基礎材料，在生物相容性上有獨特優(yōu)勢且可廣泛應用于高科技領域的光、電和磁器件，將為生物醫(yī)學材料的可持續(xù)性發(fā)展做出重要的貢獻。

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Research Progress about Application of Silk Protein in Photoelectric Sensors

YANG Mei,YANG Ming-ying＊
（College of Animal Sciences,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China）

With the depth of interdisciplinary research,scientists have a better understanding on unique aspects of the silk protein in the optical,electrical and magnetic properties for the past few years.What’s more,combined with its biomedical aspects of the superior properties such as biocompatibility,degradation and so on,some scientists have developed a series of optical,electrical and magnetic devices,which have a unique advantage in biological activity and can be applied in many high-tech fields.These studies have broadened the application of silk protein as an excellent biomedical substrate,which is of great significance to the development of bio-sensing materials.

silk protein;photoelectric sensors;bio-sensing

S886.9

A

0258-4069［2016］04-018-03

國家自然科學基金項目（21172194）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設專項（CARS-22）；浙江省大學生科技創(chuàng)新項目（1260）

楊梅（1995-），女，甘肅靜寧人，本科生。E-mail:meiyang@zju.edu.cn

楊明英，女，教授，博士生導師。E-mail:yangm@zju.edu.cn