大连理工大学生物工程学院科研团队成功研制超强抗冲击仿生昆虫头壳水凝胶

近日，我校生物工程学院刘田教授团队与中国农科院深圳基因组学研究所梁翔禹研究员团队在材料领域权威期刊《先进材料》（Advanced Materials）上发表题为“一种由蛋白质调控的、具备超强抗冲击性能的仿生昆虫表皮水凝胶”（A Protein-managed Hydrogel Biomimicked by Insect Cuticle Enabling Ultra-durable Impact Resistance）的研究论文。我校硕士生吴凯、博士生原烽堠、硕士生宋炳辉为该论文的共同第一作者，刘田教授为共同通讯作者，我校为第一单位。

图 仿生表皮水凝胶的设计、制备与应用

昆虫表皮能够在温和条件下，通过简单元素（如碳、氢、氧、氮等）的组合，形成复杂且有序的层级结构，从而合成具有从坚硬到柔软不同性能的材料。表皮蛋白在塑造昆虫表皮的微观结构以及赋予其机械性能方面起着至关重要的作用。以钻蛀类昆虫（如亚洲玉米螟）为例，其头壳需要承受反复的钻蛀冲击，因此成为抗冲击材料设计中的理想仿生对象。亚洲玉米螟头壳表皮呈现精细的层级结构，外层坚硬而内层具有一定柔性，这种柔性可能赋予其优异的能量耗散能力，类似于安全帽内衬的设计。

本文对其头壳内层表皮中高丰度、特异性表达的表皮蛋白OfCPH-2进行了体外表达和功能分析，并通过二元溶剂交换法制备了一种由几丁质和OfCPH-2构成的仿生水凝胶。研究发现，OfCPH-2能够合理调控几丁质水凝胶的层状结构形成并实现多尺度能量耗散机制协同作用，从而实现前所未有的超强抗冲击性（约23,534 J·m-2，比单纯几丁质水凝胶提高了1,032倍）。这种结构与头壳内层表皮中的层状结构相似，使其在局部机械应力下具有卓越的稳定性。后续研究证实，在无人机等需要承受反复机械冲击和意外碰撞的应用场景中，该仿生表皮材料可作为关键防护层提升机体安全性和作业可靠性，并有望进一步拓展至电子与传感器件的耐冲击防护层，以及对耐冲击性能有严格需求的机器人等领域。

近年来，刘田教授在国家高层次人才特殊支持计划及国家自然科学基金等项目的支持下，在昆虫表皮关键蛋白功能研究及仿生材料设计方面取得了突出进展，相关成果发表于《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology）《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）等权威期刊。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202519427

来源：生物工程学院
编辑：王增强、罗一铭
审核：赫铭