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  近年來，塑料電子器件的發展彌補了傳統硅基器件與軟界面的模量失配，但是，大規模應用難降解塑料帶來的環境影響也是研發人員需考慮的問題之一。絲素蛋白作為一種天然高分子材料，是替代塑料電子基底的理想材料。然而，大多數純絲素薄膜的本征脆性仍是影響其應用的關鍵因素。鑒于此，之江實驗室張磊教授團隊與復旦大學魏大程教授合作，利用微量離子介導的塑化作用，制備獲得了一種高性能絲素蛋白“紙”，為絲素薄膜的大規模制造和表皮電子技術領域提供新的思路。相關論文以“Shape-Engineerable Silk Fibroin Papers for Ideal Substrate Alternatives of Plastic Electronics”為題，發表于《Advanced Functional Materials》雜志上（DOI: 10.1002/adfm.202104088）。

  天然高分子材料是未來“綠色”電子產品的潛在候選材料，相比于PI、PET、PEN、parylene等常用的柔性基底材料，天然高分子所包含的可酶促降解或可水解的化學鍵，常被用于制備生物可降解的電子材料。蠶絲源于自然界，資源豐富、易獲得，具有良好的生物相容性和可降解性，在塑料電子應用中有廣闊的前景。絲素材料中所包含的β-折疊可作為材料的增韌填料和物理交聯點，通過設計β折疊含量可有效控制絲素制品的可降解性。但是，受限于其高結晶度和無規卷曲的低塑性，傳統高結晶度的絲素薄膜常表現為脆性，難以有效應用于塑料電子器件中。與獲得廣泛研究的多相復合策略不同，本研究報道了一種微量離子介導的塑化策略，制備獲得了一種可進行形狀工程設計的純絲素蛋白“紙”，其可在干態情況下進行打印、激光蝕刻、機械雕刻以及揉搓而不發生斷裂（圖1），展現出優良的自支撐、透明、透氣、易加工與可打印特性。

圖1 透明、可打印的高性能絲素蛋白“紙”

  研究者制備的絲素“紙”材料具有優異的綜合性質（如圖2）。其透明性和低霧度性質與PET薄膜相近，力學性質（比強度、比剛度、拉伸模量以及斷裂韌性）均與皮膚相近，尤其是其斷裂韌性為14.4±4 kJ m^-2，使其具有可形狀工程設計的能力，在表皮電子中展現巨大的應用潛力。

圖2 絲素“紙”的高透明性與力學性質

  研究者利用激光刻蝕以及雕刻方法在絲素“紙”表面“自上而下”加工制備了電子器件（如圖3），包括電子標簽（RF-ID）、觸覺單元和觸覺傳感陣列，并驗證了其有效性。此外，由于絲素“紙”材料的高韌性特征，使其可以用于形狀工程設計和加工，利用這一性質，進一步制備了可與生物組織高共形貼附的生物網格以及基于剪紙結構的肌電測試電極（EMG）。

圖3 絲素“紙”在電子標簽、觸覺傳感陣列、生物網格以及剪紙EMG電極中的應用展示。

  本文共同第一作者為之江實驗室高級研究專員劉海濤博士（之江實驗室-復旦大學聯合培養博士后）和浙江大學醫學院附屬第四醫院特聘研究員魏威博士，通訊作者為之江實驗室研究專家張磊教授和復旦大學高分子系魏大程教授。復旦大學劉云圻院士和浙江大學歐陽宏偉教授在實驗階段和論文撰寫過程中提出了寶貴的建議。該研究得到了之江實驗室重大科研項目、國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中國博士后科學基金的資助。

  文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202104088