天然高分子材料是未來“綠色”電子產(chǎn)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(xué)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(yīng)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(lián)點，通過設(shè)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(jié)晶度和無規(guī)卷曲的低塑性，傳統(tǒng)高結(jié)晶度的絲素薄膜常表現(xiàn)為脆性，難以有效應(yīng)用于塑料電子器件中。與獲得廣泛研究的多相復(fù)合策略不同，本研究報道了一種微量離子介導(dǎo)的塑化策略，制備獲得了一種可進行形狀工程設(shè)計的純絲素蛋白“紙”，其可在干態(tài)情況下進行打印、激光蝕刻、機械雕刻以及揉搓而不發(fā)生斷裂（圖1），展現(xiàn)出優(yōu)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(yōu)異的綜合性質(zhì)（如圖2）。其透明性和低霧度性質(zhì)與PET薄膜相近，力學(xué)性質(zhì)（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(shè)計的能力，在表皮電子中展現(xiàn)巨大的應(yīng)用潛力。

圖2 絲素“紙”的高透明性與力學(xué)性質(zhì)

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(biāo)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(shè)計和加工，利用這一性質(zhì)，進一步制備了可與生物組織高共形貼附的生物網(wǎng)格以及基于剪紙結(jié)構(gòu)的肌電測試電極（EMG）。

圖3 絲素“紙”在電子標(biāo)簽、觸覺傳感陣列、生物網(wǎng)格以及剪紙EMG電極中的應(yīng)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(fù)旦大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士后）和浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第四醫(yī)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(fù)旦大學(xué)高分子系魏大程教授。復(fù)旦大學(xué)劉云圻院士和浙江大學(xué)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(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和中國博士后科學(xué)基金的資助。

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