活性材料因其具備自我修復(fù)、自生長(zhǎng)、自清潔和響應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在材料科學(xué)與分子生物學(xué)等領(lǐng)域受到高度關(guān)注。這些優(yōu)勢(shì)主要源于材料內(nèi)部嵌入的微生物，能夠在特定環(huán)境刺激下被激活并發(fā)揮功能。然而，目前的活性材料仍面臨機(jī)械強(qiáng)度不足、環(huán)境適應(yīng)性差及需要昂貴培養(yǎng)基維持微生物活性等限制，嚴(yán)重制約了其在生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。隨著全球?qū)沙掷m(xù)發(fā)展的日益重視，開(kāi)發(fā)一種兼具優(yōu)異機(jī)械性能、生物活性保護(hù)與可降解性的生物塑料顯得尤為重要。然而，現(xiàn)有生物活性材料需要保持在昂貴的培養(yǎng)基中，并且通常難以兼顧高強(qiáng)度與生物活性保護(hù)，成為制約其廣泛應(yīng)用的瓶頸。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，塔夫茨大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系David Kaplan、Chunmei Li團(tuán)隊(duì)近期在《Nature Communications》期刊發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究，開(kāi)發(fā)了一種塑化劑輔助熱壓成型工藝，用于制備具有高結(jié)晶度且能夠有效保護(hù)嵌入微生物活性的絲蛋白塑料。研究團(tuán)隊(duì)采用水和甘油作為塑化劑，能夠在溫和的溫度條件下對(duì)絲蛋白粉末進(jìn)行熱壓，有效促進(jìn)了絲蛋白由無(wú)定形結(jié)構(gòu)向β折疊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，從而顯著提升了材料的機(jī)械性能，同時(shí)保持了材料內(nèi)部嵌入微生物的生物活性。
相關(guān)成果以題為“Living plastics from plasticizer-assisted thermal molding of silk protein”被發(fā)表在《Nature Communications)》期刊上，（Nat. Commun. 2025, 16, 52）。論文通訊作者為David Kaplan教授和Chunmei Li助理教授。
圖1: 活性蠶絲蛋白塑料示意圖，展示其在益生菌體內(nèi)遞送中的應(yīng)用及其通過(guò)固氮菌保護(hù)實(shí)現(xiàn)土壤可降解性。
圖2: 絲蛋白塑料的制備過(guò)程與構(gòu)象轉(zhuǎn)變。
圖3: 絲蛋白塑料的材料加工性能與生物相容性。
蠶絲塑料作為活性材料的功能性實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在模擬胃腸道環(huán)境及小鼠實(shí)驗(yàn)中，包埋的益生菌Escherichia coli Nissle 1917（REcN）實(shí)現(xiàn)了高效遞送，充分證明了該絲蛋白塑料在益生菌保護(hù)方面的出色性能（圖4）。此外，在可降解性方面，嵌入固氮菌Rhizobium tropici CIAT 899的絲蛋白塑料在90天的土壤降解實(shí)驗(yàn)中降解了90.8%，進(jìn)一步驗(yàn)證了活性菌的長(zhǎng)效功能性保持能力（圖5）。
圖4: 活性絲蛋白塑料可實(shí)現(xiàn)對(duì)益生菌的高效保護(hù)及體內(nèi)的高效遞送。
圖5: 活性絲蛋白塑料在土壤中的降解。
研究前景：該研究展示了一種可持續(xù)且可生物降解的絲蛋白塑料制備方法，適用于益生菌口服遞送、生物肥料、可降解包裝材料及其他生物醫(yī)用材料開(kāi)發(fā)。此外，該工藝的低溫加工特性也為其他溫敏性生物材料的制備提供了新思路，可進(jìn)一步引入更多功能的活性微生物，推動(dòng)這一生物材料在更廣泛的生態(tài)友好型應(yīng)用中的發(fā)展，以拓展其在生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55097-x
