大连理工大学生物工程学院刘田教授团队在昆虫表皮柔性抗冲击机制及仿生材料领域取得突破

近日，我校生物工程学院刘田教授团队在《自然》子刊《自然•通讯》（Nature Communications)上发表题为“钻蛀型昆虫表皮为柔性抗冲击材料提供天然解决方案”（A natural solution from caterpillar cuticles for flexible impact-resistant materials）的论文。这是近年来该团队继《自然•纳米技术》（Nat Nanotech）、《自然•通讯》（Nat Commun)、《美国化学会会刊》（JACS）、《物质》（Matter）、《先进材料》（Adv Mater）之后，在昆虫表皮形成机制研究及仿生材料设计方面取得的又一突出进展。我校博士生原烽堠、庞子涵、崔云天为共同第一作者，刘田教授为通讯作者，大连理工大学为第一单位。

在航空航天、交通运输和生物医学工程等领域，兼具柔韧性和抗冲击性能的材料至关重要。然而，设计能够同时满足强度、能量耗散和接触柔顺性要求的材料，始终是一项重大挑战。亚洲玉米螟幼虫需在坚硬的玉米茎秆中钻洞蛀食，其柔软表皮却能承受反复挤压摩擦。研究团队发现，表皮中两种关键结构蛋白FCSP-1和FCSP-2通过液-液相分离形成富含β-折叠的粘弹性团聚体，协同构建动态氢键网络——拉伸时藏在β-sheet结构中的氢键断裂耗散能量，松弛后缓慢重建。两种蛋白分工明确：FCSP-1负责结合几丁质骨架，FCSP-2负责形成聚集核心，通过静电作用启动组装、π-π相互作用稳定结构、氢键网络耗散能量。基于此机制，团队仿生制备出几丁质-蛋白复合水凝胶，强度达15.64 MPa、断裂功达8.24 MJ/m³，分别为天然表皮的3.65倍和14.31倍。柔软凝胶球被包裹在该水凝胶中后，在50 g重物从1 m高度落下的冲击中完好无损。

图注：亚洲玉米螟幼虫表皮柔性抗冲击的分子机制与仿生材料设计

图中展示了两种关键结构蛋白FCSP-1与FCSP-2通过液-液相分离形成粘弹性团聚体、协同耗散能量的分子过程，以及基于该机制仿生制备的高性能水凝胶。分子进化分析表明，该共组装策略可能为蛀干昆虫为适应钻蛀生活而演化出的适应性分子机制。该研究从分子层面完整解析了昆虫柔性表皮的能量耗散机制，并以此为指导实现了高性能仿生抗冲击水凝胶的理性设计，为软体机器人、可穿戴防护设备等领域的可编程材料设计提供了全新思路。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-75849-1

来源：生物工程学院
编辑：王增强