CBMIF2025丨清华大学教授刘凯：高强韧蛋白纤维材料实现多领域应用

抖音热门 2025年09月28日 11:09 2 aa

9月25日，2025中国生物制造科技创新论坛在湖南常德开幕。论坛上，清华大学化学系教授刘凯发表了以“高强韧蛋白纤维材料实现多领域应用”为主题的演讲。

刘凯介绍，其团队在力学结构蛋白材料领域取得的重要进展，受自然界蛛丝、虫丝等高性能生物材料的启发，团队通过合成生物学技术，成功开发出兼具高强度、高韧性和优异环境稳定性的新型蛋白纤维，其性能已接近防弹材料水平，并在医疗器械、运动装备等领域展现出广阔应用前景。

刘凯指出，自然界中的结构蛋白材料具有传统合成材料难以企及的力学特性。例如，某种虫丝蛋白的断裂强度可达2GPa，韧性更是凯夫拉材料的数十倍。然而，天然蛋白材料存在表达量低、稳定性差等产业化难题。研究团队通过建立力学蛋白数据库，采用模块化设计策略，将不同来源的结构蛋白单元进行理性组合，并针对大肠杆菌、谷棒杆菌等底盘微生物进行密码子优化，成功实现了高分子量重复序列蛋白的高效表达。值得一提的是，团队通过在谷棒杆菌中实现蛋白的胞外分泌，显著简化了下游纯化工艺，为降低成本奠定了基础。

在材料强化方面，团队创新性地引入稀土离子与金属结合蛋白模块，通过离子配位作用引导蛋白质折叠，使合成纤维的机械强度得到显著提升。针对批间稳定性这一产业化瓶颈，团队通过在蛛丝蛋白碳端引入α螺旋短序列，有效促进了β折叠的有序堆积，使不同批次的纤维力学性能保持一致。更引人注目的是，团队通过引入动态共价键（乙胺键），使蛋白纤维获得了卓越的环境稳定性：在-196℃至150℃的温度范围内保持性能稳定，耐受强酸环境，并在十万次循环测试后仍能快速恢复力学性能。

刘凯提到，这些突破性进展推动了实际应用。团队开发的耐酸蛋白纤维已作为胃肠缝合线在301医院开展试验，其耐胃酸特性显著优于传统蚕丝线；与安踏集团合作推进运动装备开发；更令人振奋的是，该蛋白纤维与高分子材料复合后，抵御了每秒400米的手枪子弹冲击。此外，团队还通过对黏附蛋白进行稀土冠醚修饰，研制出在极端温度下保持黏合性能的医用胶黏剂，为手术止血和组织闭合提供了新方案。