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Biological Complexity-Inspired Engineering of Tough and Anisotropic Protein-Based Materials for Adaptive Sensing

材料科学 各向异性 纳米技术 制作 可扩展性 电容感应 仿生学 韧性 过程(计算) 功能(生物学) 计算机科学 极限抗拉强度 纳米尺度 仿生材料 概念证明 缩放比例 机械工程 生物分子 微技术
作者
Zhe Lu,Zhenhao Zhu,Hao Lü,Yaolong Zhi,Honggang Hu,You Yu
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:26 (1): 142-151
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.5c04826
摘要

Biological systems inspire the design of high-performance biomimetic materials, yet replicating their synergistic interactions and hierarchical structures remains challenging. Here, we present an orthogonal photochemistry-mediated strategy for one-step fabrication of muscle-inspired protein materials. This approach integrates covalent, electrostatic, and hydrogen-bonding interactions to form robust multinetwork architectures within hierarchically organized protein matrices. Prestretching enhances molecular alignment, yielding anisotropic materials with a factor of 3.0, tensile strengths up to 300 MPa, toughness over 22 MJ m-3, and a fatigue threshold of 760 J m-2─surpassing natural proteins such as wool, cotton, and silk. The rapid (∼20 s), precisely controllable process supports scalable 3D manufacturing of continuous fibers exceeding 10 m. Beyond mechanical robustness, the materials dynamically respond to force, humidity, and pH, mimicking biological tissues. As a proof of concept, the fibers function as artificial muscles and flexible capacitive sensors, highlighting their potential for advanced applications in biomaterials, bioengineering, and soft electronics.
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