A bioinspired and hierarchically structured shape-memory material

材料科学 形状记忆合金 制作 纳米技术 控制重构 角蛋白 计算机科学 复合材料 医学 病理 嵌入式系统 替代医学
作者
Luca Cera,Grant M. Gonzalez,Qihan Liu,Suji Choi,Christophe O. Chantre,Juncheol Lee,Rudy Gabardi,Myung Chul Choi,Kwanwoo Shin,Kevin Kit Parker
出处
期刊:Nature Materials [Springer Nature]
卷期号:20 (2): 242-249 被引量:98
标识
DOI:10.1038/s41563-020-0789-2
摘要

Shape-memory polymeric materials lack long-range molecular order that enables more controlled and efficient actuation mechanisms. Here, we develop a hierarchical structured keratin-based system that has long-range molecular order and shape-memory properties in response to hydration. We explore the metastable reconfiguration of the keratin secondary structure, the transition from α-helix to β-sheet, as an actuation mechanism to design a high-strength shape-memory material that is biocompatible and processable through fibre spinning and three-dimensional (3D) printing. We extract keratin protofibrils from animal hair and subject them to shear stress to induce their self-organization into a nematic phase, which recapitulates the native hierarchical organization of the protein. This self-assembly process can be tuned to create materials with desired anisotropic structuring and responsiveness. Our combination of bottom-up assembly and top-down manufacturing allows for the scalable fabrication of strong and hierarchically structured shape-memory fibres and 3D-printed scaffolds with potential applications in bioengineering and smart textiles. Shear-aligned keratin protofibres are used to fabricate shape-memory fibres and three-dimensional scaffolds that respond to water.
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