《Chemical Engineering Journal》：Electrostatic engineering of spidroin for moisture-resistant triboelectric interfaces and intelligent tactile systems
编辑推荐：
•本文提出了一种新的序列级静电工程策略，用于调控重组蜘蛛丝蛋白的电荷分布和表面润湿性，以应用于摩擦电领域。•通过合理引入带电/极性残基，可构建出电荷分布不均的蜘蛛丝蛋白变体，从而实现亲水性-疏水性的可调控制，同时保持其天然的β折叠晶体结构。•经过工程改造的蜘蛛丝蛋白能够增强界面极
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本文提出了一种新的序列级静电工程策略，用于调控重组蜘蛛丝蛋白的电荷分布和表面润湿性，以应用于摩擦电领域。
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通过合理引入带电/极性残基，可构建出电荷分布不均的蜘蛛丝蛋白变体，从而实现亲水性-疏水性的可调控制，同时保持其天然的β折叠晶体结构。
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经过工程改造的蜘蛛丝蛋白能够增强界面极化效应和电荷捕获能力，使得摩擦电输出性能提升14.5倍。
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不对称Janus双层结构将电荷生成与防潮功能分离，能够在25–99%相对湿度的广泛范围内保持稳定的电能输出，并具备出色的长期耐用性。
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结合机器学习技术，该集成式触觉系统在水环境中仍能实现93.7%的识别准确率，从而实现高性能的智能触觉感知。
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这项工作为可编程蛋白质材料建立了从分子到器件的设计范式，有助于推动可持续可穿戴能源设备及生物集成电子产品的研发进展。
引言
在潮湿环境中仍能稳定工作的可穿戴摩擦电接口的研制，依然是自供电传感系统面临的重要挑战[1]、[2]、[3]。尽管摩擦电纳米发电机在可穿戴电子设备中的能量收集和触觉感知方面展现出巨大潜力，但湿度引发的电荷耗散和表面屏蔽效应往往会导致其电能输出显著下降[4]、[5]。虽然已有通过表面微/纳米结构设计[6]以及使用疏水聚合物涂层等方法来减轻湿度影响的尝试[7]、[8]，但这些方法大多依赖于合成材料且制造工艺复杂，限制了它们的环境可持续性和实际应用性。因此，开发具有可编程静电特性的天然耐湿摩擦电材料，对于推进可穿戴能源系统的发展至关重要。
基于蛋白质的材料为解决这一难题提供了独特的途径，因为它们具备分子层面的可编程性。在这一背景下，蜘蛛丝蛋白因其出色的机械性能、生物相容性以及层状分子结构，被视为可持续生物电子学的理想候选材料[9]、[10]、[11]、[12]。它们由嵌入无定形区域中的β折叠晶体结构组成，这种模块化结构为实现机械稳定性与功能可调性的分离提供了独特平台。近期研究已探索将重组蜘蛛丝蛋白应用于柔性电子器件和能量转换装置中，证明了它们作为可生物降解且高性能材料的潜力[13]、[14]。然而，从分子设计层面来看，蜘蛛丝蛋白的摩擦电性能仍缺乏系统研究，尤其是关于序列决定的静电特性如何影响电荷生成、电荷保留以及材料的环境稳定性等方面。在分子层面，摩擦电性能对带电基团和极性基团的空间分布以及分子间相互作用极为敏感[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。在基于蛋白质的系统中，带电氨基酸残基的空间排列决定了静电势场、水合动力学以及介电极化现象[20]、[21]。在潮湿环境下，水分子会与极性表面发生强烈相互作用，这些参数很可能在接触起电过程中的电荷传递和捕获过程中起到关键作用[22]。不过，目前还缺乏在序列层面对蛋白质材料的静电特性进行编程，并将其转化为器件性能的系统性策略。
在此，我们提出了一种针对重组蜘蛛丝蛋白的序列编程型静电工程策略，该策略无需破坏β折叠结构框架，即可调控分子内的电荷分布。通过有针对性地在无定形区域内引入酸性或碱性残基，我们可以构建出一组具有可编程静电环境和表面润湿性的蜘蛛丝蛋白变体。这些经过工程改造的蛋白质可进一步组装成功能性薄膜，并集成到摩擦电器件中。为进一步克服湿度引发的电荷耗散问题，我们还设计了一种不对称Janus双层结构，将电荷生成与防潮功能在空间上分开。
通过这种从分子到器件的设计方法，我们成功制备出了具有耐湿性、更高电能输出以及在极端潮湿条件下仍能保持长期稳定性的摩擦电纳米发电机。此外，通过将基于蜘蛛丝蛋白的传感器与机器学习算法相结合，我们构建了一个能够实现高精度物体分类的智能触觉识别系统。通过建立序列设计、静电调控与器件性能之间的直接关联，这项工作为设计可用于下一代可持续电子产品的可编程生物材料提供了通用策略。
章节摘要
用于耐湿智能可穿戴系统的静电蜘蛛丝蛋白材料概述
为解决现有问题，我们为重组蜘蛛丝蛋白开发了一种序列编程型静电工程策略，能够在分子层面调控其摩擦电行为以及亲水性/疏水性。如图1a（i）所示，通过合理重新分配蛋白质序列中无定形区域的酸性及碱性氨基酸残基，同时保持原有的β折叠结构，即可调控蜘蛛丝蛋白的静电势分布
结论
总之，我们提出的一种序列编程型静电工程策略，使得重组蜘蛛丝蛋白成为一种可在分子层面进行调控的、用于耐湿摩擦电电子设备的理想材料。通过选择性重新分配重组蜘蛛丝蛋白无定形区域内的带电残基，可以在保持β折叠晶体结构的同时重新配置静电场，从而实现对结构完整性与功能性能的双重控制。这
材料
除非另有说明，文中提及的所有化学试剂均购自OXOID（美国）。六氟异丙醇（HFIP，纯度99.99%）由麦克林生化有限公司（中国上海）提供。氨苄西林、咪唑以及异丙基-β-D-硫半乳糖苷则购自桑根生物科技（中国上海）。液态金属（由共晶镓和铟组成的合金）购自Alfa Aesar（美国）。用于分子生物学实验的pSE-380质粒则购自诺沃普罗生物科技有限公司。
作者贡献说明
周碧霞：论文撰写——初稿。 袁志恒：论文撰写——初稿。 李书欢：论文撰写——初稿。 丁一欣：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿。 李佳琪：论文撰写——审阅与编辑。 高冰冰：项目指导。 何炳芳：项目管理。 林志德：项目管理。
资金支持
中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFA0919100，负责人：高冰冰）。 国家自然科学基金（项目编号：32371435，负责人：高冰冰）。 江苏省青蓝工程2025优秀青年学者计划（负责人：高冰冰）。 国家自然科学基金（项目编号：22478187，负责人：何炳芳）。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
作者衷心感谢中国国家重点研发计划（2024YFA0919100）、国家自然科学基金（项目编号32371435）以及江苏省青蓝工程2025优秀青年学者计划（负责人：高冰冰）所提供的资金支持，同时也感谢国家自然科学基金（项目编号22478187）的资助。
Bixia Zhou|Ziheng Yuan|Shuhuan Li|Yixin Ding|Jiaqi Li|Bingbing Gao|Bingfang He|Chwee Teck Lim
