英文原题：Flexible Meso Electronics and Photonics Based on Cocoon Silk and Applications

通讯作者：刘向阳，厦门大学

作者：Changsheng Lu (卢昌盛), Xiao Wang(王晓)

近年来，柔性、可植入的电子/光子设备在医疗保健、远程诊断和生理监测领域成为了一项至关重要的技术。这些设备的性能取决于其弹性、生物相容性和对皮肤友好性等特性。然而，找到能够满足所有需求的材料以制造理想的电子/光子设备是极具挑战性的任务。传统柔性电子/光子学是指对柔性电子元件、柔性传感器和柔性显示器进行设计、制造和应用方面的研究。这些器件中的功能材料具有处理、转换/传感和存储电子/光子信号的作用。因此，如何选择合适的功能材料对柔性电子/光子学的研究至关重要。柔性介观电子/光子学研究目的是，通过对材料进行介观重建或介观功能化以获得其最初不具备的电学/光学功能。

蚕丝材料是一种生物友好的天然生物材料，通过介观尺度掺杂或杂化有机分子或无机纳米颗粒进入蚕丝蛋白材料的结构，可实现所期望的功能化。遵循此策略，可制造出一系列基本的柔性器件，如光学元件、光电子器件、光化学反应器、传感器等。这些器件进一步在生物医学监测、生物传感和存储设备等方面中的应用总结于图1。

图1. 基于介观功能化蚕丝蛋白的柔性电子/光子器件

近日，厦门大学刘向阳教授在ACS Biomaterials Science & Engineering上发表了基于蚕丝的柔性介观电子/光子学及其应用的综述论文。该综述从成核动力学控制和介观功能化策略入手，对以蚕丝材料为基础的先进柔性电子/光子器件及其应用进行了总结。该综述介绍的介观功能化策略涉及重新构建丝素材料的多级结构，通过充分利用蚕丝分子天然的晶体特性进行重构，获得具有稳定电子和光子功能的介观功能化蚕丝材料。

该综述提出，蚕丝的结晶网络结构在赋予材料稳定的机械、电学和光学性能方面起着关键作用。柔性材料的宏观性能是由材料的介观结构决定的。其中，β-微晶对于稳定蚕丝材料的介观结构起着至关重要的作用。通过分子或纳米功能种子进行模板成核，可以改变重折叠路径，从而重建蚕丝材料的多级结构。这种重折叠途径可以将不同的分子或纳米颗粒以模板成核的方式复合到蚕丝分子的结晶网络结构中，如图2所示。

图2. 蚕丝蛋白的打开和重折叠过程以及用于蚕丝材料进行功能化的模板成核种子

该综述特别指出，导电组分的掺杂和重构的介观结构将从根本上改变柔性电子器件在介观尺度上的导电和电子结构。例如，银纳米颗粒作为功能模板添加到蚕丝分子中，其与蚕丝分子产生相互作用。银纳米金属簇的存在将导致蚕丝材料网络内介观电子空穴的形成，从而使介观重构蚕丝分子导电。以此为基础，可以开发出具有优异开关性能、高稳定性和低能耗的蚕丝基忆阻器和人工神经突触。类似地，当蚕丝材料中银纳米线含量较低时，银离子传输将通过量子隧道效应来促进。因此，通过引入银纳米线作为介观掺杂剂，可重建蚕丝薄膜的介观电子结构，用于开发具有生物相容性、舒适佩戴性的长效柔性蚕丝干电极。此外，蚕丝基柔性传感器还可以进一步用于经济高效的实时健康监测以及远程个性化服装定制等领域。

图3. 蚕丝材料介观网络和电子结构以及介观导电机制

该综述还指出，蚕丝基介观光学结构的特点是将特定功能的纳米级种子，如量子点（QD）、上转换纳米颗粒（UCNP）和碳点（CD）以成核模板的形式加入到蚕丝材料的晶体网络和纳米纤丝网络中，如图4所示。

图4. 介观掺杂的荧光蚕丝材料

进一步可利用蚕丝基光子晶体来调控材料的介观结构和框架，以进一步增强蚕丝材料的荧光性质，也就是所谓的介观放大器的聚焦效果，如图5所示。

图5. 基于蚕丝光子晶体的荧光放大器的聚焦效果

特别的，具有优异光学性能和生物相容性的蚕丝光子晶体可以与上转换纳米颗粒（UCNPs）在介观尺度进行复合，并进一步用于在植入式医疗设备中实现皮下无线能量和信号传输。如图6所示，蚕丝基UCNPs可对在人体血液中运行的近红外纳米机器人的进行无线充电。其还可用于近红外光开关的指令编码，实现设备性能的隐蔽优化，增强安全和隐秘通信、数据加密以及秘密传感操作的有效性。此外，蚕丝基的柔性光子压力传感器具有抗信号衰减和高灵敏度的特点，可进一步用于空气和水下机械波（如声波）的检测。

图6. 利用蚕丝基UCNPs 进行皮下/体内的能量和信号传输

研究团队在综述中指出，蚕丝材料与介观柔性光子学和介观柔性电子学的结合为蚕丝基柔性电子/光子器件在物理和生物化学感知、微观电阻存储器、晶体管、脑电极以及能量生成/存储等领域提供了广阔的应用场景。利用蚕丝材料介观尺度的独特性质，结合其柔韧性和生物相容性的优势，将为下一代柔性智能电子/光子器件的发展开辟新的前景。

相关论文发表在ACS Biomaterials Science & Engineering上，厦门大学博士研究生卢昌盛和厦门大学博士后王晓为文章的共同第一作者，刘向阳教授为通讯作者。

个人简介：刘向阳教授为国家特聘专家，曾任新加坡国立大学终身教授（1999-2021）、曾任荷兰和英国联合利华研究院PortSunlight实验室的高级科学家7年，并担任第五届亚洲晶体生长和晶体技术协会主席。现任厦门大学海地学院南强特聘教授，教育部长江讲座教授，国际晶体生长协会、中国晶体生长协会理事，中国生物材料学会名誉理事。曾任厦门大学物理学院副院长、材料学院生材系主任、福建省柔性功能物质重点实验室主任、厦门市柔性导电材料与器件工程技术中心主任、厦门大学生物仿生与软物质研究院院长，厦门大学教育部“111”软物质创新引智基地负责人。

刘教授致力于成核动力学、晶体生长动力学，柔性材料与柔性电子，数字医疗等领域。研究成就主要发表在著名学术期刊上，如Nature，Nat. Commun., Chem, Soc. Rev.，Adv. Mater.，Adv. Func. Mater，JACS，Angew. Chem. Int. Ed., Phy. Rev. Lett.，Adv. Sci.，ACS Nano等, 400多篇同行评审论文和邀请书籍章节，论文引用数量超20,000次，H指数为76。获110+项国内/国际专利授权，编著并出版包括《Frontier and Progress of Current Soft Matter Research》(Springer），《Bioinspiration from Nano to Micro Scale》(Springer), 《Soft Fibrillar Materials-Frication and Applications》(Wiley-VCH)等七部中英文专著; 为科学出版社《软物质前沿科学丛书》（国家重点出版物出版规划项目）执行主编，《物理学报》编辑。作为客座主编，多次在上述顶级杂志等杂志组织多期不同主题的专刊。

刘教授曾获新加坡国立大学杰出研究奖、斯坦福大学全球排名前2%终身成就科学家。2023年获中国生物材料学会科学技术奖一等奖。组织约40个国际和国内会议/暑期学校/研讨会，并在学术会议/研讨会上发表了约170多场会议/主旨演讲/特邀演讲。

主页链接：

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ACS Biomater. Sci. Eng. 2024, ASAP

Publication Date: April 10, 2024

https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.4c00254 

Copyright © 2024 American Chemical Society