近年来，塑料电子器件的发展弥补了传统硅基器件与软界面的模量失配，但是，大规模应用难降解塑料带来的环境影响也是研发人员需考虑的问题之一。丝素蛋白作为一种天然高分子材料，是替代塑料电子基底的理想材料。然而，大多数纯丝素薄膜的本征脆性仍是影响其应用的关键因素。鉴于此，之江实验室张磊教授团队与复旦大学魏大程教授合作，利用微量离子介导的塑化作用，制备获得了一种高性能丝素蛋白“纸”，为丝素薄膜的大规模制造和表皮电子技术领域提供新的思路。相关论文以“Shape-Engineerable Silk Fibroin Papers for Ideal Substrate Alternatives of Plastic Electronics”为题，发表于《Advanced Functional Materials》杂志上（DOI: 10.1002/adfm.202104088）。

  天然高分子材料是未来“绿色”电子产品的潜在候选材料，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学键，常被用于制备生物可降解的电子材料。蚕丝源于自然界，资源丰富、易获得，具有良好的生物相容性和可降解性，在塑料电子应用中有广阔的前景。丝素材料中所包含的β-折叠可作为材料的增韧填料和物理交联点，通过设计β折叠含量可有效控制丝素制品的可降解性。但是，受限于其高结晶度和无规卷曲的低塑性，传统高结晶度的丝素薄膜常表现为脆性，难以有效应用于塑料电子器件中。与获得广泛研究的多相复合策略不同，本研究报道了一种微量离子介导的塑化策略，制备获得了一种可进行形状工程设计的纯丝素蛋白“纸”，其可在干态情况下进行打印、激光蚀刻、机械雕刻以及揉搓而不发生断裂（图1），展现出优良的自支撑、透明、透气、易加工与可打印特性。

图1 透明、可打印的高性能丝素蛋白“纸”

  研究者制备的丝素“纸”材料具有优异的综合性质（如图2）。其透明性和低雾度性质与PET薄膜相近，力学性质（比强度、比刚度、拉伸模量以及断裂韧性）均与皮肤相近，尤其是其断裂韧性为14.4±4 kJ m^-2，使其具有可形状工程设计的能力，在表皮电子中展现巨大的应用潜力。

图2 丝素“纸”的高透明性与力学性质

  研究者利用激光刻蚀以及雕刻方法在丝素“纸”表面“自上而下”加工制备了电子器件（如图3），包括电子标签（RF-ID）、触觉单元和触觉传感阵列，并验证了其有效性。此外，由于丝素“纸”材料的高韧性特征，使其可以用于形状工程设计和加工，利用这一性质，进一步制备了可与生物组织高共形贴附的生物网格以及基于剪纸结构的肌电测试电极（EMG）。

图3 丝素“纸”在电子标签、触觉传感阵列、生物网格以及剪纸EMG电极中的应用展示。

  本文共同第一作者为之江实验室高级研究专员刘海涛博士（之江实验室-复旦大学联合培养博士后）和浙江大学医学院附属第四医院特聘研究员魏威博士，通讯作者为之江实验室研究专家张磊教授和复旦大学高分子系魏大程教授。复旦大学刘云圻院士和浙江大学欧阳宏伟教授在实验阶段和论文撰写过程中提出了宝贵的建议。该研究得到了之江实验室重大科研项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国博士后科学基金的资助。

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