全球每年产生超过5300万吨聚合物纤维和纺织品废弃物，其中仅有12%被回收利用，绝大部分最终被填埋、焚烧或流入海洋。传统的机械回收和熔融回收虽成本低廉，但会导致材料力学性能显著下降；化学回收虽能更好地容忍添加剂和污染物，却存在能耗高、成本高、温室气体排放量大等问题。溶解回收作为一种新兴的“聚合物到聚合物”回收路线，能够保持聚合物理化特性且能效更高，然而，高性能聚合物所依赖的强分子间相互作用，恰恰与溶解回收所需的溶剂破坏作用相矛盾。这一根本性冲突，使得兼具卓越力学性能和完全可回收性的材料开发面临巨大挑战。

华盛顿大学张福忠教授课题组成功设计并微生物合成了名为“丝-淀粉样蛋白-贻贝蛋白”（SAM）的蛋白质杂合材料。这种工程化蛋白纤维展现出优异的拉伸强度（401±40兆帕）、韧性（124±38兆焦耳每立方米）以及在高温高湿环境下极低的超收缩率（2.2%±1.9%），同时能够通过快速（小于1小时）、低能耗的甲酸水溶液溶解工艺实现完全回收。经过多次回收循环后，再生纤维仍保持结构完整性和力学性能，甚至可将回收蛋白重新加工成具有强大水下粘附力的水凝胶，形成闭环回收系统。相关论文以“Biosynthesized Silk-Amyloid-Mussel Proteins as Dissolution Recyclable Materials With Tunable Supercontraction”为题，发表在Advanced Materials上。

研究团队以SAM蛋白为模板进行理性设计。该蛋白的核心由多个重复的淀粉样蛋白拉链形成肽和富含甘氨酸的丝蛋白序列构成，两者共同自组装形成β-纳米晶体，提供力学支撑。核心序列两侧分别融合了贻贝足蛋白片段，形成无定形区域。为提升可回收性，研究人员将原始SAM蛋白C端贻贝足蛋白中所有13个赖氨酸和2个精氨酸突变为组氨酸，并将3个丝氨酸突变为酪氨酸，得到命名为SAM_HY的新型蛋白。这些突变不仅消除了易与甲酸反应的氨基酸残基，还显著提高了疏水性，同时通过增加酪氨酸含量增强了π-π相互作用。

图1 | 蛋白设计示意图及回收策略。 可溶解回收的PBM MAS蛋白采用三嵌段设计，融合了来自金色球蛛MaSp1、胰岛淀粉样蛋白的拉链形成肽以及地中海贻贝Mfp的序列。溶解回收方法规避了化学回收中典型的解聚步骤，从而降低了与解聚和再合成相关的能量输入。 

在力学性能表征中，新鲜纺制的SAM_HY纤维拉伸强度达401±40兆帕，韧性达124±38兆焦耳每立方米，与原始SAM纤维相当。在94%相对湿度下，其超收缩率仅为2.2%±1.9%，远低于天然蜘蛛拖丝纤维的约13.2%。偏振拉曼光谱分析显示，再生纤维中β-纳米晶体的排列取向（I_XX/I_ZZ比值）在多次回收循环后保持一致，表明C端和N端贻贝足蛋白之间的相互作用未受破坏。傅里叶变换红外光谱进一步证实，回收前后纤维的β-折叠含量保持稳定，说明发生在丝-淀粉样蛋白重复序列中丝氨酸和苏氨酸残基上的少量甲酰化修饰对纤维力学性能影响甚微。

图2 | 新鲜和回收SAMS纤维的结构与力学性能及超收缩行为总结。 （a）SAMS ^CMfp5设计示意图；（b）SAM纤维回收过程示意图，纤维图像引自前期发表成果；（c）新鲜和回收SAMS纤维的傅里叶变换红外光谱，曲线以0.5任意单位的间距叠加绘制；（d、e）SAMS-新鲜纤维和SAMS-rec2纤维的代表性偏振拉曼光谱；（f）新鲜和回收SAMS纤维的代表性应力-应变曲线；（g）新鲜和回收SAMS纤维的极限拉伸强度（**p = 1.3×10⁻³，双尾非配对t检验）；（h）新鲜和回收SAMS纤维的韧性（****p = 6.5×10⁻⁷，双尾非配对t检验）。数据以均值±标准差表示，误差棒代表标准差。除SAMS-rec1的力学数据n=8外，其余力学数据n=10次独立拉伸测试。 

图3 | 新鲜和回收SAM_HY纤维的力学性能与超收缩行为。 （a）SAM_HY中^CMfp5设计示意图；（b）^CMfp5疏水性与SAM变体纤维超收缩率的关系；（c、d）SAM_HY-新鲜纤维和SAM_HY-rec3纤维的代表性偏振拉曼光谱；（e）新鲜和回收SAM_HY纤维在1670 cm⁻¹处偏振拉曼光谱的相对峰强度（ns：无显著差异，p=6.1×10⁻²，双尾非配对t检验）；（f）新鲜和回收SAM_HY纤维的代表性应力-应变曲线；（g）新鲜和回收SAM_HY纤维的极限拉伸强度（**p=5×10⁻⁴，双尾非配对t检验）；（h）新鲜和回收SAM_HY纤维的韧性（ns：不显著，p=7.9×10⁻¹，双尾非配对t检验）。数据以均值±标准差表示，误差棒代表标准差。力学测试数据：SAM_HY-新鲜和SAM_HY-rec1纤维n=20，SAM_HY-rec2和SAM_HY-rec3纤维n=10；偏振拉曼光谱数据n=3。 

广角X射线衍射分析揭示了纤维的精细纳米结构。新鲜和再生SAM_HY纤维均呈现两个清晰的赤道面衍射峰，对应d间距分别为4.8埃和9.1埃，代表相邻β-链和β-片层之间的距离。结晶尺寸保持在1.9纳米（片层间轴）和3.7纳米（链间轴），结晶度稳定在28%至30%之间，与傅里叶变换红外光谱测得的β-折叠含量高度一致。这种结晶区与无定形区清晰分离的结构特征，使得拉伸强度（由结晶度主导）与可回收性及超收缩率（由C端贻贝足蛋白序列调控）可以独立优化，实现了性能的协同调控。

图4 | SAM_HY纤维的广角X射线衍射表征。 （a）SAM_HY-fresh的2D散射图；（b）SAM_HY-rec3的2D散射图；（c）不同方法测定的β-折叠/结晶度；（d）不同SAM变体纤维的力学性能与超收缩率的关系图。 

研究还展示了SAM_HY蛋白在不同材料形态间的可转换性。由新鲜或回收蛋白制备的水凝胶表现出多孔的微观形貌。力学测试表明，再生水凝胶的拉伸强度、断裂应变和韧性均无显著下降。在水下粘附测试中，水凝胶与玻璃基材的粘附强度保持稳定。经过72小时的磷酸盐缓冲液浸泡后，水凝胶仍保持结构完整性，证明其在实际应用和水下或生理条件下的稳健性。更重要的是，从水凝胶回收的蛋白同样可以重新纺制成纤维，其平均拉伸强度达到403±33兆帕，与新鲜蛋白纤维性能相当。

图5 | 回收SAM_HY蛋白用于水下粘附。 （a）SAM_HY水凝胶的照片；（b-d）新鲜和回收SAM_HY水凝胶的力学性能与粘附性能比较。

综上所述，该研究证明了蛋白质工程与合成生物学原理的结合能够开发出高性能、可回收的蛋白基材料。SAM_HY纤维兼具高拉伸强度、高韧性、低超收缩和稳定的可回收性，且各项性能可通过修饰蛋白序列的不同区域分别调控。SAM蛋白的模块化结构实现了力学性能与回收行为的正交控制，这是下一代可持续蛋白基材料的关键设计原则。该工作还展示了不同材料形态间的转换能力，可根据市场需求实现应用导向的升级或降级回收，为纺织及其他领域中高性能、可持续材料的规模化应用铺平了道路。

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