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从导电到抗菌的全能选手，大豆蛋白与镓打造新型功能复合材料

文章来源：贤集网更新时间：2024-09-30 15:05:37

在材料科学领域，不断探索新型复合材料是推动科技进步的关键动力之一。近日，一项令人瞩目的研究成果引起了广泛关注：Li Liu 和所在团队将镓和大豆蛋白进行巧妙结合，造出一种新型功能复合材料，为液态金属微滴的应用开辟了新视角。

一、新型复合材料的诞生背景

随着现代材料科学的不断发展，对新材料的需求日益增长。室温下呈液态的金属因其独特的物理化学特性，如卓越的导电性、室温下的流动性以及良好的生物相容性，逐渐成为科学家们关注的焦点。镓作为一种典型的液态金属，在生物医学和柔性电子设备领域已有广泛应用。然而，镓在空气中极易氧化，这严重限制了它的导电性能和长期稳定性。

为解决这一问题，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，但往往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。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，成为解决液态金属氧化问题的关键。

二、大豆蛋白分离物复合材料的特性

（一）良好的导电性与机械性能

团队研发的这种含有镓的大豆蛋白分离物复合材料，兼具良好的导电性和机械性能。当材料中的镓含量为 32% 时，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。

（二）一氧化碳气体传感应用

在一氧化碳气体传感方面，该复合材料展现出良好的灵敏度和可逆性。它能够在不同浓度的一氧化碳气体下快速响应，并在气体去除之后恢复初始电阻，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，非常适合用于实时监测和预警系统。

（三）电刺激抗菌特性

大豆蛋白分离物复合材料在电刺激抗菌方面表现出显著特性。其应用原理主要在于复合材料良好的导电性。当施加电刺激时，电流通过复合材料，产生一系列物理和化学效应，从而抑制细菌生长并解决生物膜形成问题。一方面，电刺激可能改变细菌细胞膜的通透性，破坏细菌的细胞结构，导致细菌死亡。另一方面，电流可能引发复合材料中的某些化学变化，产生具有抗菌作用的物质。例如，可能促使镓发生特定的氧化还原反应，释放出对细菌具有毒性的离子或活性氧物种。此外，大豆蛋白分离物自身可能也在一定程度上参与了抗菌过程，其特定的结构和化学性质可能与细菌相互作用，干扰细菌的正常生理代谢。

这一特性使其特别适合于开发长效抗菌涂层、手术工具或植入物，有助于减少术后感染和促进伤口愈合。

随着技术的进一步成熟，这种材料还有望用于环境监测、柔性电子设备等领域。

三、科研 “烹饪” 的精准把握

（一）制备过程的挑战与解决方案

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后，团队首先面临的核心问题是如何有效诱导蛋白质自组装为纤维状材料，并确保与镓微纳米颗粒的稳定结合。

已有文献中，乳球蛋白纤维常被用作微纳米颗粒的载体，但制备需在 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易溶解并产生氢气。经过大量文献参考，团队利用 30% 的乙酸溶液将大豆植物蛋白分离物分散，在 90℃下加热并进行超声处理，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，形成大豆蛋白分离物 - 镓复合材料。

（二）细节决定成败

温度控制

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。

超声时间控制

初始的大豆蛋白分离物不溶于水，超声过程将较大的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。

镓的颗粒大小

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。

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。

（三）术语调整的波折

在撰写论文时，团队最初采用 “淀粉样纤维”（Amyloid fibrils）的术语，但由于该术语与阿兹海默症的紧密联系，容易引起误解。后来，他们将其修改为 nanofibrils 纳米纤维，突出了本次研究的重点，论文才得以顺利发表。

四、未来展望与挑战

（一）拓展应用领域

团队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，探讨液态金属对相分离和自组装过程的调控能力，以拓展复合材料的应用范围。

（二）面临的挑战

虽然这种新型功能复合材料展现出了巨大的潜力，但在实际应用中仍面临一些挑战。例如，如何进一步提高材料的稳定性和耐久性，如何实现大规模生产等问题都需要进一步研究解决。

总之，大豆蛋白与镓打造的新型功能复合材料为材料科学领域带来了新的希望和机遇。通过不断的研究和创新，相信这种复合材料将在未来的科技潮流中发挥重要作用，为各个领域的发展做出贡献。

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_558848.html
来源：贤集网
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