仿生电纺角蛋白复合材料的模块化设计：基于爬行动物蛋壳的可调气体吸附性能研究

本研究针对传统吸附材料不可降解、性能单一等问题，通过仿生爬行动物蛋壳的模块化结构，开发了基于电纺角蛋白（keratin）的复合材料。研究人员重构了纤维膜（electrospun keratin membranes）、蛋白基质（egg protein matrix）、碳酸钙（CaCO3）矿化层和石蜡涂层（paraffin coating）四大模块，通过动态蒸汽吸附（DVS）分析证实其吸附性能可精准调控（1-42%范围），为伤口敷料、组织工程支架等生物相容性材料提供了可持续解决方案。

　　

在自然界中，爬行动物蛋壳展现出令人惊叹的结构多样性和功能适应性。不同于鸟类蛋壳的相对均一性，爬行动物蛋壳根据物种和栖息环境的不同，演化出从高度矿化的鳄鱼蛋壳到几乎无钙质的蜥蜴蛋壳等多种形态。这种多样性背后隐藏着一个精妙的模块化设计：蛋白纤维构成的基底膜、有机基质、碳酸钙矿化层以及脂质角质层，共同协作调控气体交换、水分平衡和机械保护等关键功能。然而，传统合成吸附材料往往依赖不可降解的聚合物或氟化处理，不仅环境负担重，性能调控也缺乏灵活性。如何从自然中汲取灵感，开发兼具可持续性和性能可调的新型材料，成为材料科学领域的重要挑战。

针对这一问题，由比利时根特大学（Ghent University）等机构的研究团队在《Materials Today Bio》发表了一项创新研究。研究人员从爬行动物蛋壳的模块化结构中获得启发，通过仿生设计构建了基于角蛋白的复合材料体系。研究首次将电纺角蛋白纳米纤维膜（electrospun keratin membranes）作为结构基底，结合蛋清蛋白基质、碳酸钙（CaCO₃）颗粒和石蜡涂层，成功复现了天然蛋壳的四大功能模块。通过扫描电镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证了材料的仿生准确性，并利用动态蒸汽吸附仪（DVS）系统分析了各组分的吸附调控机制。

关键技术方法包括：1）通过磺解反应从美利奴羊毛中提取角蛋白；2）采用双针头水平电纺系统制备纳米纤维膜；3）通过浸涂法分别负载蛋清蛋白基质（0.5-5.0 wt%）和石蜡涂层（乙醇溶液）；4）物理沉积碳酸钙颗粒构建矿化层（10-90 wt%）；5）结合SEM、FTIR和DVS进行结构表征与性能测试。实验样本包括来自动物园的凯门鳄（Caiman crocodilus）和玉米蛇（Pantherophis guttatus）等爬行动物蛋壳作为生物参照。

3.1 爬行动物蛋壳模块化的仿生重构
研究通过电纺技术制备的角蛋白纳米纤维膜（直径251±44 nm）完美模拟了天然蛋壳的纤维膜结构（如鬣蜥蛋壳纤维直径1.0±0.2 μm）。通过浸涂法引入的蛋清蛋白基质（最高占比65%）显著增加了膜密度，而碳酸钙层的沉积（10-90 wt%）则复现了高度矿化的鳄鱼蛋壳特征。交叉电镜显示，仿生复合材料与天然蛋壳在分层结构上具有高度相似性。

3.2 仿生复合材料的化学分析
FTIR光谱证实角蛋白膜的特征酰胺振动峰（1650 cm^-1处为酰胺I）与天然蛋壳蛋白组分高度一致。碳酸钙模块在872 cm^-1（ν₂）和712 cm^-1（ν₄）处的吸收峰对应方解石晶型，与鳄鱼蛋壳外层的矿物特征匹配。石蜡涂层的C-H伸缩振动（2950-2850 cm^-1）虽在测试蛋壳中未明显检出，但为研究脂质层的功能影响提供了基础模型。

3.3 气体吸附行为分析
DVS数据揭示碳酸钙含量是吸附调控的主导因素：含90% CaCO₃的仿生材料吸附量仅3.1%，与鳄鱼蛋壳（5.1±0.3%）相当；而低钙质模型中，有机基质使吸附量升至25-40%，模拟了玉米蛇蛋壳的高渗透性。值得注意的是，石蜡涂层在低钙条件下可额外降低19%吸附量，但研究者指出天然蛋壳的脂质含量通常不足3%，实际影响可能有限。

3.4 应用潜力
这种模块化设计突破了传统材料性能单一的局限：高吸附版本（含65%蛋白基质）适用于需要主动水分调节的伤口敷料，而高矿化版本则可用于防潮包装。角蛋白的生物相容性与碳酸钙的成骨活性，进一步拓展了其在组织工程支架中的应用前景。

研究结论强调，通过解构自然界的模块化设计原则，成功开发出性能可调的仿生材料平台。这不仅为理解爬行动物蛋壳的结构-功能关系提供了新视角，更重要的是建立了一种可持续的材料设计范式——无需复杂化学改性，仅通过生物基组分的物理组合即可实现性能精准调控。该研究为开发下一代环保型医用敷料、组织工程支架和智能包装材料指明了方向，彰显了仿生材料学在解决环境与健康挑战中的独特价值。