利用蛋白质设计电子皮肤，是赋予电子皮肤生物相容性的重要途径，但通过设计蛋白质结构来实现可控制的机械性能和自愈能力仍然是一个挑战。

在此，来自复旦大学的沈剑锋&叶明新等研究者，通过引入共晶镓铟合金(EGaIn)开发了一种混合面筋网络以设计一种具有改善机械性能的自愈合电子皮肤。相关论文以题为“Liquid metal-tailored gluten network for protein-based e-skin”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28901-9

电子皮肤(e-skin)，在皮肤附着设备、机器人和假肢领域的需求不断增加，激发了各种尖端技术，赋予了电子皮肤类皮肤的感觉能力和可控制的机械性能，但不幸的是，具有生物相容性的电子皮肤对实际的皮肤应用提出了巨大的挑战。因此，尽管目前已有不同种类的合成材料报道，但对生物相容性电子皮肤材料的探索仍有强烈的愿望。鉴于蛋白质是皮肤的重要组成部分，蛋白质是提供电子皮肤生物相容性的理想选择。然而，蛋白质电子皮肤的设计仍处于起步阶段，因为精确控制蛋白质的结构以获得可调节的机械性能和自愈能力是相当复杂的。

丝素蛋白(SF)是电子皮肤研究中的主导蛋白，通过复杂的塑化或碳化预处理，证明了制造具有可调节机械行为和生物相容性的电子皮肤的可行性。为此，研究者提出了一种简便的制备电子皮肤的方法——面筋蛋白。经水合和揉捏，面筋通过分子内和分子间的共价键和非共价键形成交联的三维聚合网络。面筋网络具有多种动态键，如动态共价二硫键(S-S)键和非共价氢键，从而保证了大多数基于SF的电子皮肤所缺乏的自愈合能力。一般来说，在e-skin制备中，合成材料(如超分子聚合物)的宏观力学性能，可以通过在微观网络结构中构建交联位置来调整。然而，通过在分子水平上，实现物理和化学交联位点的共结合来提高软面筋网络的力学性能仍然是一个挑战。通过网络调节制造以麸质为基础的电子皮肤，将会对机械性能和自我修复能力进行更精密的控制。

为了解决这一问题，谷蛋白网络中丰富的自由巯基(-SH)基团可以作为配体，通过金属配体的配位作用形成交联键，从而构建交联位点。基于这一思想，共晶镓铟合金(EGaIn)由于其与硫代配体的相互作用能力，有望被引入面筋网络中，成为改善软材料力学性能的理想材料。因此，本工作着眼于谷蛋白网络的结构特征，设计一种EGaIn/谷蛋白基电子皮肤(E-GES)。研究者的策略是针对面筋网络中-SH/S-S动态重排机制，引入EGaIn作为化学交联剂，实现E-GES中分层S键的建立，其中S-S键保持结构完整性，而EGaIn-SH配位键则需要消耗能量。令人惊讶的是，这种结构调整策略可以引起面筋主链构象的改变，从而获得额外的β-片作为物理交联剂。因此，高密度的交联位点和各种动态键，分别赋予了E-GES特殊的机械强度和韧性。此外，E-GES可以承受空间应变变化，表现得像传统合成材料一样。最后，E-GES在细胞毒性试验中，不仅表现出良好的细胞生物相容性，而且在一定程度上促进细胞增殖，减缓细胞凋亡。这种特性使E-GES成为一种具有竞争力的应变传感器，可以在日常皮肤应用中检测人体不同动作的应变信号。

在此，研究者通过谷蛋白网络的动态网络微调控机制，实现了液态金属与蛋白质相结合的谷蛋白电子皮肤，在对其动态键合分析的基础上，提出了一种可靠的自修复蛋白电子皮肤的制造机制。谷蛋白网络的内在可逆二硫键/巯基重构是引入EGaIn作为化学交联剂的驱动力，从而诱导谷蛋白的二级结构重排，形成额外的β-片作为物理交联剂。值得注意的是，所获得的麸质基材料具有自愈性，具有类似合成材料的可伸缩性(>1600%)，并具有促进皮肤细胞增殖的能力。最终的电子皮肤具有生物相容性和可降解性，可以感知人体不同规模运动的应变变化。该蛋白网络微调控方法，为未来的类皮蛋白电子皮肤奠定了基础。

图1 E-GES制备示意图及E-GES中EGaIn和面筋-SH基团相互作用分析。

图2 E-GES的宏观力学性能和微观结构表征。

图3 E-GES自愈能力和应变敏感性的表征。

图4 E-GES的生物相容性试验。

图5 E-GES应变传感能力的表征。

综上所述，研究者报告了一个简单的策略来设计谷蛋白制造具有拉伸性、自愈合能力和生物相容性的电子皮肤。面筋和EGaIn的独特组合成功地创造了一个强大的面筋网络，提高了强度和韧性。此外，基于EGaIn的掺入，获得的E-GES具有增强的自愈能力，在动物实验中，E-GES贴附于兔皮肤时未出现不良反应。E-GES不仅很好地满足了理想电子皮肤的要求，而且在不同的情况下，从大规模的人体动作到微小的应变变化，都显示出了敏锐的应变感知能力。

这项工作为通过液态金属构建蛋白质网络设计电子皮肤提供了一个有吸引力的想法，清晰地展示了基于动态键的自愈机制，也适用于赋予基于蛋白质的电子皮肤自愈能力，成功地展示了基于蛋白质的电子皮肤在感知人体运动方面的巨大潜力。该方法还可以进一步利用其他蛋白质，如明胶、蛋白蛋白等，以及其他无机材料，如MXenes、碳纳米管、银纳米纤维等，获得具有预期功能的电子皮肤。（文：水生）

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