弗莱堡大学 livMatS 卓越集群的 Stefan Schiller 博士和 Matthias Huber 博士成功地开发了仅基于天然蛋白质的肌肉。研究人员在《高级智能系统》杂志上提出的材料的自主收缩可以借助 pH 值和温度变化进行控制。运动是由为此目的消耗分子能量的化学反应驱动的。“我们的人造肌肉仍然是一个原型，”席勒说。“然而，这种材料的高生物相容性以及调整其成分以匹配特定组织的可能性可能为未来在重建医学、假肢、药剂学或软机器人技术中的应用铺平道路。”
过去，科学家们已经将天然蛋白质作为开发人造肌肉系统的基础，并将它们构建成微小的分子机器或聚合物。然而，目前还不可能开发出完全基于生物并在化学能的帮助下自主移动的合成肌肉材料。
基于天然蛋白质弹性蛋白的材料
弗莱堡团队使用的材料基于弹性蛋白，这是一种天然纤维蛋白，也存在于人体中，例如赋予皮肤和血管弹性。根据这种蛋白质的模型，研究人员开发了两种类似弹性蛋白的蛋白质，其中一种响应于例如 pH 值的波动，另一种响应于温度的变化。科学家们通过光化学交联将这两种蛋白质结合在一起，形成了一种双层材料。在这个过程中可以灵活地塑造材料并设定其运动方向。
可以在温度变化的帮助下打开和关闭宫缩
研究人员通过使用化学能源作为燃料(在本例中为亚硫酸钠)成功地诱导了节律性收缩。在振荡化学反应中，由于几个反应的特殊联系，pH 在循环中发生变化，添加的能量通过材料的非平衡状态转化为机械能。通过这种方式，研究人员诱导材料以周期性方式自主收缩。他们还能够在温度变化的帮助下打开和关闭收缩：振荡的化学反应在大约 20 摄氏度的温度下开始，材料开始有节奏地运动。在此过程中，可以对材料的某些状态进行编程以使其呈现并用另一种刺激再次重置它们。
“由于它源自天然存在的蛋白质弹性蛋白，并且由我们通过生物技术手段生产，因此我们的材料具有高度可持续性，这也与技术应用相关，”席勒解释说。“在未来，这种材料可以进一步开发以响应其他刺激，例如环境中的盐浓度，并消耗其他能源，例如从生物质中提取的苹果酸。”
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