科学家巧妙结合植物蛋白和金属镓，可用于气体检测和电刺激抗菌

“你导师真是不一样啊，喝个蛋白粉都能喝出灵感来。”当澳大利亚悉尼大学博士生 Li Liu 把研究原料第一次带到实验室时，实验室管理员以为其误把食物带了进来，差点要给予警告。而当管理员了解课题缘由之后，开玩笑地说出了上面这句话。

（来源：Advanced Functional Materials）

大豆蛋白分离物，又叫大豆脱脂蛋白，它是一种植物性蛋白质，也一种类似豆奶粉或蛋白粉的粉状物质。

也就是说，它其实也是一种食物。但你能想到吗？当这种食物和金属结合，竟能造出一种新材料。

近日，Li Liu 和所在团队将镓和大豆蛋白进行巧妙结合，借此造出一种新型功能复合材料，为液态金属微滴的应用提供了新视角。

这种材料是一种含有镓的大豆蛋白分离物复合材料，其兼具良好的导电性和机械性能。

当材料中的镓含量为 32% 时，大豆蛋白分离物复合材料的导电性、生物相容性、淀粉样纤维结构良好性处于最佳状态，故能被用于一氧化碳气体传感和电刺激抗菌等方面。

在一氧化碳气体传感上，其在一氧化碳气体检测上展现出良好的灵敏度和可逆性，因此有望为环境监测、工业安全和智能家居等领域打造一氧化碳传感器。

特别是，在不同浓度的一氧化碳气体下，大豆蛋白分离物复合材料也能做出快速响应，并能在气体去除之后恢复初始电阻，因此非常适合用于实时监测和预警系统。

在电刺激抗菌上，大豆蛋白分离物复合材料的电刺激辅助抗菌特性，能够显著地抑制细菌生长，并能有效解决生物膜形成问题。

这一特性让其尤其适合于开发长效抗菌涂层、手术工具或植入物，以便减少术后感染和促进伤口愈合。

随着技术的进一步成熟，本次材料还有望用于环境监测、柔性电子设备等领域。

日前，相关论文以《自组装蛋白质纳米纤维与液态金属镓的复合材料》（Composites from Self-Assembled Protein Nanofibrils and Liquid Metal Gallium）为题发在 Advanced Functional Materials（IF 18.5）。

图 | 相关论文（来源：Advanced Functional Materials）

Li Liu 是第一作者，澳大利亚悉尼大学的弗朗索瓦-玛丽·阿利奥（Francois-Marie Allioux）教授、库罗什·卡兰塔尔-扎德（Kourosh Kalantar-Zadeh）教授和沈怡教授担任共同通讯作者。

图 | 沈怡（来源：沈怡）

“致病结构”竟是“理想材料”？

据研究人员介绍，随着现代材料科学的不断进步，新材料的研发面临着越来越高的要求。

近年来，室温下呈液态的金属因其独特的物理化学特性，比如卓越的导电性、室温下的流动性以及良好的生物相容性，逐渐吸引了科学家的关注。

镓，作为其中一种典型的液态金属，已被广泛用于生物医学和柔性电子设备领域。然而，镓在空气中极易氧化，严重限制了它的导电性能和长期稳定性。

为了解决这些问题，许多研究者尝试将液态金属镓与其他金属或聚合物材料结合。

然而，在这些组合中，材料本身的特性或在制备过程中引入的化学物质，可能会对液态金属的生物相容性产生负面影响。

相比之下，天然的生物大分子材料比如蛋白质和多糖，因其优良的生物相容性和可降解性，成为理想的候选材料。

此外，部分蛋白质分子还具有还原性基团，这为改善液态金属的导电性和稳定性提供了可能。

在众多蛋白质中，寻找既具有还原性基团又具备一定机械性能和稳定性的蛋白质材料，是解决上述问题的关键所在。

“硬质”β-淀粉样蛋白斑块的积累，是阿尔茨海默症的重要致病因素之一。

更为有趣的是，近年来的研究发现许多与 β-淀粉样蛋白具有相同二级结构，即 β-折叠结构的蛋白纤维并不具有致病性，反而展现出类似的机械性能和稳定性。

这种 β-折叠结构作为一种低能量的热力学稳定状态，广泛存在于许多动物和植物蛋白中，并且可以通过控制条件诱导这些蛋白自组装形成。

在自组装过程中，许多还原性基团被暴露并能够相互作用。

例如，沈怡曾于几年前于发表在 Nature Nanotechnology 的论文中报道了具有 β-折叠结构的蛋白质纳米纤维能够还原铁元素，这一特性对于解决液态金属的氧化问题具有极大的潜力。

因此，这种被认为“致病”的 β-折叠蛋白质结构，实际上是解决液态金属易氧化和不稳定性的“理想”生物材料。

基于此，本次研究通过可控的工艺，利用大豆蛋白分离物自组装形成具有 β-折叠结构的蛋白质纳米纤维。

并在自组装过程中引入镓的微纳米颗粒，制备出了这种自组装蛋白质纳米纤维-液态金属复合材料。

研究表明，自组装的蛋白质纳米纤维能够显著降低镓的氧化程度，并能有效延缓镓颗粒的氧化进程。

通过调节镓的添加量，可以实现对复合材料电导率的精确控制。

在镓质量分数为 32% 时，复合材料的导电性较普通氧化镓颗粒提高了三个数量级。

同时，利用傅里叶变换红外光谱和圆二色光谱等表征手段，他们发现当镓含量低于 32% 时，并不会影响蛋白质纳米纤维二级结构的形成。

这样一来，就能保证复合材料的机械性能和稳定性，并在气体传感和电刺激辅助抗菌领域展现出巨大的应用潜力。

（来源：Advanced Functional Materials）

科研“烹饪”的精准把握

据课题组介绍，在确定将具有 β-折叠结构的蛋白质纳米纤维与液态金属镓结合作为研究方向之后，他们首先需要解决的核心问题是：如何有效诱导蛋白质自组装为纤维状材料，并确保它与镓微纳米颗粒的结合能够稳定实现。

在已有文献中，乳球蛋白纤维通常被用作微纳米颗粒的载体，但其制备需要在 pH=2 的强酸溶液中进行。

而液态金属镓在强酸或强碱溶液中容易溶解并产生氢气，因此并不适合上述条件。

这时，他们必须寻找一种温和的制备方法。在参考大量文献之后，课题组利用 30% 的乙酸溶液将大豆植物蛋白分离物分散，并在 90℃ 下加热，同时进行超声处理，随后加入镓的微纳米颗粒。

在降温过程中，大豆蛋白分离物自组装为具有 β-折叠结构的蛋白质纳米纤维，借此形成了大豆蛋白分离物-镓复合材料。

虽然这一过程听起来简单，但实际上有很多需要注意的细节。

首先是温度的控制。

较低温度（如 70℃）会导致纤维的机械性能下降，而 90℃ 是蛋白质充分展开并形成纳米纤维的最佳温度。

其次是超声时间的控制。

初始的大豆蛋白分离物不溶于水，超声过程将较大的大豆蛋白分离物团块分散成更小的团块，促进其在高温下溶解并展开，暴露出更多的活性位点。

合适的超声时间能让溶液从糊状物转变为透明，此时是最适合降温的时机，过度超声会导致溶液重新变浑浊，不利于自组装。

再次是镓的颗粒大小。

经过一番研究，该团队选择了 400nm 的平均粒径，如果颗粒太小（如 100nm）它们在酸性环境中与蛋白质反应过快，可能会产生气泡以至于阻碍自组装过程。

最后，要避免空气流动过快。

在降温和干燥过程中，只有保持均匀的蒸发，才能确保材料的完整成型。

完成制备材料之后，对于液态金属镓微纳米颗粒对于蛋白质二级结构的影响原理进行了表征，并探究了蛋白质对于镓的物理性质和化学性质。

在撰写论文时，他们最初采用“淀粉样纤维”（Amyloid fibrils）的术语，这也是领域内的常见专业术语。

然而，“淀粉样纤维”和阿兹海默症这种神经退行性疾病的关系实在是太为人所知，以至于不论是遇到其他领域的同学同事，还是在投稿中遇到的大同行审稿人，大家都以为本次课题旨在治疗阿兹海默症。

后来，他们将“淀粉样纤维”修改为 nanofibrils 纳米纤维，以便突出本次研究的重点。修改之后，论文终于顺利付梓。

（来源：Advanced Functional Materials）

而在下一步，他们计划将镓与其他金属合成的液态金属合金与蛋白质相结合，探索这些复合材料可能带来的新的物理化学特性。

此外，他们还将进一步研究蛋白质自组装为纳米纤维的机理。

目前，有观点认为其过程涉及相分离，因此他们将探讨液态金属是否会影响这一过程，并研究其在光场响应下对相分离和自组装过程的调控能力，以便拓展本次复合材料的应用范围。

参考资料：

1.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202405918

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