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  高性能蛋白質纖維因其優異的生物相容性與可控降解特性，被廣泛認為是人工肌腱、可吸收縫合線、智能生物貼片等高端醫療器件的理想候選材料。然而，當前研究仍主要聚焦于絲類蛋白（如蜘蛛絲、蠶絲），這些蛋白憑借獨特的β-折疊納米晶區與無定形區交替結構，實現了卓越的強韌性組合。相比之下，非絲類蛋白（如角蛋白、血清蛋白）雖具有豐富的來源和低廉的成本，卻因固有結構缺陷而面臨嚴峻挑戰：（1）分子構象僵化——以羊毛角蛋白為例，其高密度α-螺旋結構與胱氨酸交聯網絡共同構建了剛性骨架，使再生角蛋白纖維往往表現出高強度但低韌性的特性，易發生脆性斷裂；（2）組裝可控性差——非絲蛋白（如白蛋白）缺乏固有的成纖結構，通常需要借助戊二醛等化學交聯劑進行強行“焊接”，但這一過程不僅降低了生物相容性，還可能延緩材料的生物降解速率，限制了其在生物醫學領域的應用。

  針對這一挑戰，浙江大學大學生物醫用材料及表界面工程研究室團隊提出了一種鏈纏結增強策略，重建高性能的非絲蛋白纖維。以角蛋白和白蛋白為原料，研究人員利用高濃度尿素/二硫蘇糖醇（DTT）體系展開和膨脹蛋白分子，從而促進蛋白質鏈的纏結交織。依托變性后蛋白質二級結構的互補作用，低成本的再生角蛋白和牛血清白蛋白（BSA）經過紡絲工藝制成堅固耐用的復合纖維，依靠蛋白質固有的半胱氨酸氧化交聯，無需添加任何外部交聯劑。通過合理調控角蛋白與白蛋白的比例，實現了α-螺旋與β-折疊結構的平衡，從而制得的復合纖維展現出高達250 MPa的強度和70 MJ/m3的韌性，不僅超越了多數報道的再生角蛋白纖維，也可與許多天然或人造絲纖維相媲美。此外，復合纖維還表現出出色的氧化還原響應力學特性和水合誘導的可逆形狀記憶，同時憑借優異的生物吸收性和免疫相容性，在傷口修復縫合中展現了極佳的應用潛力。

  該研究以“Chain entanglement enhanced strong and tough wool keratin/albumin fibers for bioabsorbable and immunocompatible surgical sutures”為題，發表于《Nat. Commun.》期刊上。浙江大學高分子科學與工程學系博士后何浩男博士、博士研究生周咸池為共同第一作者，計劍教授和張鵬研究員為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、經血管植入器械全國重點實驗室以及浙江大學海寧國際校區博士后“潮涌計劃”的資助支持。

圖1 蛋白質鏈纏結策略制備角蛋白/BSA復合纖維示意圖

  研究人員采用變性劑（尿素/二硫蘇糖醇體系）將角蛋白和白蛋白解折疊，延長蛋白分子鏈，促進分子間交叉纏結。通過半胱氨酸氧化交聯作用穩固纏結狀態，并在紡絲過程中推動蛋白質鏈的重新折疊，最終實現纏結與折疊結構的平衡，是纖維實現高強度與高韌性的重要保障。

圖2 基于蛋白質解折疊-重折疊調控復合纖維力學性能

  通過分子動力學模擬、小角散射（SAXS）以及流變測試，研究人員系統表征了蛋白在變性劑條件下的分子解折疊過程。調控角蛋白和白蛋白比例后，進一步通過乙醇/水溶劑比例及過氧化氫含量優化紡絲凝固浴參數，從而構建出兼具高強度和高韌性的蛋白復合纖維。

圖3 拉伸強化作用提升蛋白復合纖維力學性能

  在紡絲收集過程中，通過改變拉伸牽引比率，進一步調控復合纖維的分子結構和力學性能。增大拉伸比例不僅顯著提高了分子鏈的取向性，還促進了更多β折疊結構的形成，從而獲得了強度高達250 MPa且韌性達到70 MJ/m3的優異復合纖維。

圖4 基于二硫鍵網絡的力學動態可恢復性

  由于復合纖維內部依靠大量二硫鍵交聯網絡，研究人員通過表征二硫鍵含量變化，驗證了纖維內部交聯網絡的可逆性，并結合力學測試證明了其出色的氧化還原響應性和力學可恢復性。

圖5 復合纖維的濕度響應動態特性

  研究發現，復合纖維在水分子刺激下可發生內部折疊結構向螺旋結構的轉變，而在干燥拉伸后則恢復原始折疊結構，展現出獨特的形狀記憶特性。加捻編織后的纖維束在水化狀態下依然保持優異的力學性能，顯示出作為受力型組織修復材料的潛力。

圖6 復合纖維束在外科縫合線中的應用

  最后，研究人員將加捻編織后的蛋白復合纖維束被用作外科縫合線。與商用聚乳酸縫合線和真絲縫合線相比，該縫合線不僅具備卓越的傷口縫合能力，還能促進受損部位的組織再生，顯示出優異的降解性能與免疫相容性。

  該研究通過蛋白質鏈纏結強化策略，成功開發出無需化學交聯劑的角蛋白/牛血清白蛋白復合纖維。借助兩種蛋白的協同作用，該纖維實現了高強度（250 MPa）與高韌性（70 MJ/m3）的平衡，性能超越多數再生角蛋白纖維，并媲美天然絲蛋白。復合纖維可編織成束，在濕潤環境下依然保持穩定的力學性能，并展現出氧化還原響應和水合形狀記憶特性。作為外科縫合線，其不僅具備優異的降解性和免疫相容性，還能有效促進傷口愈合。該成果為開發力學均衡、生物活性可調的再生蛋白纖維提供了新范式，未來在人工肌腱、智能生物電子及可降解植入器件等領域擁有廣闊應用前景。

  論文信息：

  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 Commun 16, 3004 (2025).

  https://doi.org/10.1038/s41467-025-58171-0