Silk-Inspired Design and Manufacturing of Robust Plantymers
Yijie Wang, Yue Zhang, Ting Li, Chang Chen, Qimeng Wang, Feipeng Chen, Wei Guo, Chunbao Li, Siddharth Deshpande, Ho Cheung Shum, Jasper van der Gucht, Joshua A. Dijksman, Renko de Vries, Xiufeng Li*，Weifu Dong*. Nature Communications 2026
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-72645-9
近日，本团队联合南京农业大学李岫峰副教授、荷兰瓦赫宁根大学Renko de Vries副教授、阿姆斯特丹大学、香港大学和香港城市大学等国内外研究团队，在Nature Communications发表题为“Silk-Inspired Design and Manufacturing of Robust Plantymers”的研究论文，江南大学王艺杰博士为本文的第一作者。该研究受蜘蛛丝形成机制启发，提出了一种基于凝聚相加工的植物蛋白材料制造新策略，实现了植物蛋白材料的高性能化。
农业和食品的加工过程中会持续产生大量营养价值较低或含有抗营养因子的副产蛋白，如油菜籽蛋白（其中含有硫氰酸盐）、玉米醇溶蛋白、大豆蛋白等。这些副产蛋白质附加值较低，但来源丰富、供应相对稳定，可为高性能蛋白质材料的开发提供丰富的原料基础。然而，天然植物蛋白材料目前普遍存在力学性能不足、阻隔性能有限和连续加工性较弱等问题，限制了其在高性能材料领域的进一步应用。如何在保持绿色可持续特征的同时，实现植物蛋白材料的高性能化与加工性的提升，是该领域亟需解决的关键科学问题。
蜘蛛丝的形成过程为这一问题提供了重要启示。天然蜘蛛丝在纺丝过程中，蛋白质首先形成高浓度且具有良好流动性的蛋白质富集相，随后在剪切和拉伸等机械力诱导下发生分子取向与构象转变，促进了β-折叠结构的形成，从而赋予材料优异的力学性能。受此启发，研究团队以玉米醇溶蛋白为模型体系，通过调控溶液的溶剂条件诱导液-液相分离，获得了高内聚能、具有良好的流动性的蛋白质凝聚相，并进一步利用刮膜、拉丝等加工方式，将机械力诱导引入到材料成型过程中(图1)。
图1 蛋白凝聚相用于制备高性能膜材料和纤维材料的示意图
研究发现，与传统溶液成型方法相比，凝聚相加工方法能够显著提升玉米醇溶蛋白膜和纤维的力学性能（薄膜的拉伸强度可达45 MPa，纤维的拉伸强度可达125 MPa）。所得材料的杨氏模量可达到与木材和蚕丝相近的水平，并超过聚乙烯等常见塑料材料，表明该策略能够在不添加任何添加剂的条件下，突破传统植物蛋白材料力学性能不足的瓶颈。
图2 所制备的玉米醇溶蛋白膜材料和纤维材料的机械性能。(A) 传统溶液法和凝聚相加工法制备的膜材料应力-应变曲线。(B) 凝聚相在不同剪切速率下 (100 - 500 s−1) 制备的膜材料杨氏模量和拉伸强度。(C) 不同pH (4.6、7.3、8.6) 的玉米蛋白凝聚相制备的膜材料杨氏模量和拉伸强度。凝聚相通过不同拉伸高度 (0.25、0.5、1 m) 获得的纤维材料 (D) 应力-应变曲线及 (E) 杨氏模量和拉伸强度。(F) 不同pH (3.7、5.7、7.3) 的凝聚相制备的纤维材料杨氏模量和拉伸强度。(G) 凝聚相加工获得的膜材料和纤维材料与已报道的生物质材料和非生物质材料的机械性能对比。
力学性能的提升归因于凝聚相兼具高内聚能密度和良好的流动性，使蛋白质链段在剪切或拉伸作用下更容易发生取向排列，并促进α-螺旋向β-折叠结构的转变。傅里叶变换红外光谱和圆二色谱分析证明了这一点，机械力诱导显著提高了材料中的β-折叠含量，且β-折叠含量与材料力学性能的提升密切相关。这说明，凝聚相不仅是材料成型加工的理想相态，也为机械力诱导的蛋白质构象重排提供了可能。
图3 FTIR用于蛋白质二级结构分析。(A) 凝聚相加工制备的玉米醇溶蛋白膜材料的红外光谱。(B) 玉米醇溶蛋白粉末、溶液法制备的玉米醇溶蛋白膜材料、未剪切的凝聚相以及凝聚相剪切后获得的膜材料二级结构含量。(C) 凝聚相在不同剪切速率下 (100-500 s−1) 获得的玉米醇溶蛋白膜材料二级结构含量。(D) 不同pH (4.6、7.3、8.6) 的凝聚相获得的玉米醇溶蛋白膜材料二级结构含量。(E) 不同拉伸距离（0.25、0.5、1 m）及 (F) 不同凝聚相pH（3.7、5.7、7.3）获得的玉米醇溶蛋白纤维材料二级结构含量。
此外，由于拉丝法缺乏连续生产的能力，该研究团队进一步利用凝聚相用于湿法纺丝，只需要少量的玉米醇溶蛋白就可以连续纺制数十米长的纤维，同时，纤维的力学强度仍可维持在90 MPa，验证了凝聚相用于纤维连续化生产的可行性，该工作发表于Chemical Engineering Journal，江南大学博士生张悦为本文的第一作者，王艺杰博士为共同第一作者，东为富教授为本文通讯作者。
综上，该团队提出的“凝聚相加工”策略不同于传统的溶液法或挤出成型方法，其核心在于利用高内聚能、良流动性的凝聚相作为加工起始相态，并通过非平衡流动场诱导链段取向和二级结构转变，从而实现材料性能提升。这一方法不仅拓展了植物蛋白高性能化加工的新思路，也为天然高分子材料的绿色制造提供了新的仿生范式。
