由天然蛋白质制成的人造肌肉。免费技术图书馆新闻

来自天然蛋白质的人造肌肉

15.02.2022

弗莱堡大学的一组研究人员已经成功开发出利用人体自然过程的人造肌肉。科学家们已经展示了一种自主的屈肌，它通过消耗化学燃料来移动，类似于人类或动物的对应肌。

我们的人造肌肉仍然是一个原型。然而，史蒂文席勒说，这种材料的高生物相容性以及调整其成分以适应特定组织和技术应用的能力，可以为未来在重建医学、假肢、药物或软机器人技术中的应用铺平道路。

过去，科学家们通过将天然蛋白质嵌入到微小的分子机器或聚合物中来构建人造肌肉系统。然而，他们未能开发出完全生物合成的肌肉。

弗莱堡团队使用的天然蛋白质基于一种称为弹性蛋白的天然纤维蛋白。研究人员已经开发出两种合成弹性蛋白样蛋白，其中一种对环境酸度的波动作出反应，另一种对温度变化作出反应。

科学家们使用光化学交联将这两种蛋白质结合在一起，形成了一种分层材料，可以很容易地成形以指导其运动。然后他们设法使用化学燃料来源亚硫酸钠诱导有节奏的收缩。在振荡化学反应中，由于几个反应的特殊关系，酸度在循环中发生变化，增加的能量转化为机械能。

因此，研究人员使材料自动循环收缩。他们还可以通过改变温度来打开和关闭宫缩。在这种情况下，可以对材料的某些状态进行编程，并用另一个刺激再次重置它们。因此，科学家们创造了一个简单的系统，用于在物质层面实现“学习和遗忘”。

Schiller 解释说，由于它源自天然存在的蛋白质弹性蛋白，并通过生物技术手段生产，因此我们的材料具有很高的抗性，这也与技术应用相关。
将来，该材料可能会被修改以响应其他刺激，例如电力、环境盐浓度，并消耗其他能源，例如生物质。席勒总结说，我们处于一个可以开发模拟复杂生物功能的蛋白质材料概念的位置，即使在记忆和学习方面也是如此。

未来，科学家们设想创造使用 ATP（细胞之间交换的“货币”）的蛋白质材料，以实现生物医学应用的新方法，例如组织再生和新一代纳米技术机器人将药物输送到人体器官。

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莱斯大学材料科学和纳米工程系的一组科学家开发了一种将废塑料转化为有价值的石墨烯的技术，并在此过程中释放纯氢。氢被认为是未来的潜在燃料之一，因为它的燃烧可以提供高水平的能量，并且只产生普通的水作为副产品。这使得氢气比精炼石油更清洁，并且作为车辆燃料比需要长时间充电的电池更方便。

值得注意的是，氢气已经在工业中得到应用，但目前的生产方法会产生二氧化碳排放，每生产一吨氢气，就会产生10至12吨二氧化碳。

科学家开发的新方法涉及一种称为“脉冲焦耳加热”的技术。通过将短电脉冲穿过塑料，由于电流的阻力，塑料立即加热到 2,5 摄氏度，碳原子被结合到石墨烯结构中，氢原子以纯净气体的形式释放出来。

尽管需要进一步降低生产成本，但这种方法有可能改变游戏规则，允许更有效地回收塑料废物、生产绿色氢以及制造石墨烯，而石墨烯的市场成本在 60 美元至 200 美元之间每吨。

作者之一、化学家凯文·维斯 (Kevin Vis) 表示：“与现有的工业蒸汽甲烷重整方法相比，我们的方法将氢气生产中的二氧化碳和温室气体排放量减少了 2%。” 这种方法可能是未来实现更清洁、更可持续的能源和塑料废物管理的关键。

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