活性材料因其具备自我修复、自生长、自清洁和响应性强等优势，在材料科学与分子生物学等领域受到高度关注。这些优势主要源于材料内部嵌入的微生物，能够在特定环境刺激下被激活并发挥功能。然而，目前的活性材料仍面临机械强度不足、环境适应性差及需要昂贵培养基维持微生物活性等限制，严重制约了其在生物医学和环境科学领域的实际应用。随着全球对可持续发展的日益重视，开发一种兼具优异机械性能、生物活性保护与可降解性的生物塑料显得尤为重要。然而，现有生物活性材料需要保持在昂贵的培养基中，并且通常难以兼顾高强度与生物活性保护，成为制约其广泛应用的瓶颈。
针对这一挑战，塔夫茨大学生物医学工程系David Kaplan、Chunmei Li团队近期在《Nature Communications》期刊发表了一项突破性研究，开发了一种塑化剂辅助热压成型工艺，用于制备具有高结晶度且能够有效保护嵌入微生物活性的丝蛋白塑料。研究团队采用水和甘油作为塑化剂，能够在温和的温度条件下对丝蛋白粉末进行热压，有效促进了丝蛋白由无定形结构向β折叠结构的转变，从而显著提升了材料的机械性能，同时保持了材料内部嵌入微生物的生物活性。
相关成果以题为“Living plastics from plasticizer-assisted thermal molding of silk protein”被发表在《Nature Communications)》期刊上，（Nat. Commun. 2025, 16, 52）。论文通讯作者为David Kaplan教授和Chunmei Li助理教授。这项研究提出了一种在60°C条件下，通过增塑剂辅助对蚕丝粉末进行温和成型的工艺，用于制备结构稳定的生物塑料。该方法有效降低了此前蚕丝加工所需的高温（145°C）可能对生物活性成分造成的破坏风险，并且通过调节蛋白质链的构象转变，实现了硬度与韧性之间的平衡（图2， 3）。此外，该工艺采用冻干蚕丝粉末，克服了传统溶液加工因时间推移引发的不稳定性与加工挑战。实验与模拟结果进一步揭示了增塑剂在成型过程中的关键作用及其方法的普适性，阐明了丝蛋白结构构象转变、所得生物塑料的理化特性及其所嵌入微生物的功能性之间的内在关联。这些发现为进一步优化加工参数及拓展应用领域提供了指导依据。研究还进一步通过小鼠皮下植入实验评估了该材料的生物相容性。28天后的组织学分析显示，该材料诱导的炎症反应显著降低，同时形成了较薄的纤维囊包裹层，且未观察到明显的免疫排斥反应，进一步验证了该材料的生物安全性（图3）。
图1: 活性蚕丝蛋白塑料示意图，展示其在益生菌体内递送中的应用及其通过固氮菌保护实现土壤可降解性。
图2: 丝蛋白塑料的制备过程与构象转变。
图3: 丝蛋白塑料的材料加工性能与生物相容性。
蚕丝塑料作为活性材料的功能性实验结果显示，在模拟胃肠道环境及小鼠实验中，包埋的益生菌Escherichia coli Nissle 1917（REcN）实现了高效递送，充分证明了该丝蛋白塑料在益生菌保护方面的出色性能（图4）。此外，在可降解性方面，嵌入固氮菌Rhizobium tropici CIAT 899的丝蛋白塑料在90天的土壤降解实验中降解了90.8%，进一步验证了活性菌的长效功能性保持能力（图5）。
图4: 活性丝蛋白塑料可实现对益生菌的高效保护及体内的高效递送。
图5: 活性丝蛋白塑料在土壤中的降解。
研究前景：该研究展示了一种可持续且可生物降解的丝蛋白塑料制备方法，适用于益生菌口服递送、生物肥料、可降解包装材料及其他生物医用材料开发。此外，该工艺的低温加工特性也为其他温敏性生物材料的制备提供了新思路，可进一步引入更多功能的活性微生物，推动这一生物材料在更广泛的生态友好型应用中的发展，以拓展其在生物医学和环境保护领域的应用。原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-55097-x
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