摘要：近日，自然·通讯《Nature Communication》以“Chain entanglement enhanced strong and tough wool keratin/albumin fibers for bioabsorbable and imm
近日，自然·通讯《Nature Communication》以“Chain entanglement enhanced strong and tough wool keratin/albumin fibers for bioabsorbable and immunocompatible surgical sutures”为题，在线发表了浙江大学高分子科学与工程学系计剑教授团队在非丝蛋白基生物材料领域的突破性成果—通过分子链拓扑缠结与动态交联协同策略，首次实现非丝蛋白纤维力学性能与生物功能的精准调控，为高性能可降解医用材料的开发提供了全新范式。
高性能蛋白质纤维因其优异的生物相容性与可控降解特性，被广泛认为是人工肌腱、可吸收缝合线、智能生物贴片等高端医疗器件的理想候选材料。然而，当前研究仍主要聚焦于丝类蛋白（如蜘蛛丝、蚕丝），这些蛋白凭借独特的β-折叠纳米晶区与无定形区交替结构，实现了卓越的强韧性组合。相比之下，非丝类蛋白（如角蛋白、血清蛋白）虽具有丰富的来源和低廉的成本，却因固有结构缺陷而面临严峻挑战：（1 ）分子构象僵化——以羊毛角蛋白为例，其高密度α-螺旋结构与胱氨酸交联网络共同构建了刚性骨架，使再生角蛋白纤维往往表现出高强度但低韧性的特性，易发生脆性断裂；（2 ）组装可控性差——非丝蛋白（如白蛋白）缺乏固有的成纤结构，通常需要借助戊二醛等化学交联剂进行强行“焊接”，但这一过程不仅降低了生物相容性，还可能延缓材料的生物降解速率，限制了其在生物医学领域的应用。
为了突破这一瓶颈，计剑教授团队发展了“分子链缠结协同动态交联”策略，以角蛋白和白蛋白为原料，利用高浓度尿素/二硫苏糖醇（DTT）体系展开和膨胀蛋白分子，从而促进蛋白质链的缠结交织。依托变性后蛋白质二级结构的互补作用，低成本的再生角蛋白和牛血清白蛋白（BSA）经过纺丝工艺制成坚固耐用的复合纤维，依靠蛋白质固有的半胱氨酸氧化交联，无需添加任何外部交联剂。通过合理调控角蛋白与白蛋白的比例，实现了α-螺旋与β-折叠结构的平衡，从而制得的复合纤维展现出高达250 MPa的强度和70 MJ/m³的韧性，不仅超越了多数报道的再生角蛋白纤维，也可与许多天然或人造丝纤维相媲美。此外，复合纤维还表现出出色的氧化还原响应力学特性和水合诱导的可逆形状记忆，同时凭借优异的生物吸收性和免疫相容性，在伤口修复缝合中展现了极佳的应用潜力。
图1 蛋白质链缠结策略制备角蛋白/BSA复合纤维示意图
该研究的整体设计思路如图1所示，研究人员采用变性剂（尿素/二硫苏糖醇体系）将角蛋白和白蛋白解折叠，延长蛋白分子链，促进分子间交叉缠结。通过半胱氨酸氧化交联作用稳固缠结状态，并在纺丝过程中推动蛋白质链的重新折叠，最终实现缠结与折叠结构的平衡，是纤维实现高强度与高韧性的重要保障。同时，无外源交联剂的使用，确保了纤维具有优异的生物相容性和降解特性。
图2 基于蛋白质解折叠-重折叠调控复合纤维力学性能
首先，研究人员通过分子动力学模拟、小角散射（SAXS）以及流变测试，系统表征了蛋白在变性剂条件下的分子解折叠过程。调控角蛋白和白蛋白比例后，进一步通过乙醇/水溶剂比例及过氧化氢含量优化纺丝凝固浴参数，从而构建出兼具高强度和高韧性的蛋白复合纤维。
图3 拉伸强化作用提升蛋白复合纤维力学性能
在纺丝收集过程中，通过改变拉伸牵引比率，进一步调控复合纤维的分子结构和力学性能。增大拉伸比例不仅显著提高了分子链的取向性，还促进了更多β折叠结构的形成，从而获得了强度高达250 MPa且韧性达到70 MJ/m³的优异复合纤维。
图4 基于二硫键网络的力学动态可恢复性
由于复合纤维内部依靠大量二硫键交联网络，研究人员通过表征二硫键含量变化，验证了纤维内部交联网络的可逆性，并结合力学测试证明了其出色的氧化还原响应性和力学可恢复性。
图5 复合纤维的湿度响应动态特性
研究发现，复合纤维在水分子刺激下可发生内部折叠结构向螺旋结构的转变，而在干燥拉伸后则恢复原始折叠结构，展现出独特的形状记忆特性。加捻编织后的纤维束在水化状态下依然保持优异的力学性能，显示出作为受力型组织修复材料的潜力。
图6 复合纤维束在外科缝合线中的应用
最后，研究人员将加捻编织后的蛋白复合纤维束被用作外科缝合线。与商用聚乳酸缝合线和真丝缝合线相比，该缝合线不仅具备卓越的伤口缝合能力，还能促进受损部位的组织再生，显示出优异的降解性能与免疫相容性。
小结：该研究通过蛋白质链缠结强化策略，成功开发出无需化学交联剂的角蛋白/牛血清白蛋白复合纤维。借助两种蛋白的协同作用，该纤维实现了高强度（250 MPa）与高韧性（70 MJ/m³）的平衡，性能超越多数再生角蛋白纤维，并媲美天然丝蛋白。复合纤维可编织成束，在湿润环境下依然保持稳定的力学性能，并展现出氧化还原响应和水合形状记忆特性。作为外科缝合线，其不仅具备优异的降解性和免疫相容性，还能有效促进伤口愈合。该成果为开发力学均衡、生物活性可调的再生蛋白纤维提供了新范式，未来在人工肌腱、智能生物电子及可降解植入器件等领域拥有广阔应用前景。
浙江大学高分子科学与工程学系博士后何浩男博士、博士研究生周咸池为论文的共同第一作者，计剑教授和张鹏研究员为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、经血管植入器械全国重点实验室以及浙江大学海宁国际校区博士后“潮涌计划”的资助支持。
论文信息：
He, H., Zhou, X., Lai, Y. et al. Chain entanglement enhanced strong and tough wool keratin/albumin fibers for bioabsorbable and immunocompatible surgical sutures.Nat Commun16, 3004 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-58171-0
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来源：高分子科学前沿一点号1