[發明專利]一種通過調控蛋白膜結構來調控摩擦電輸出性能的方法

有效

• 申請號: 202110557906.3
• 申請日: 2021-05-21
• 公開（公告）號: CN113201159B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發明（設計）人: 平建峰;姜成美;應義斌
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C08J5/18
• 分類號: C08J5/18;C08L89/00;C08K5/053;H02N1/04
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發明公開了一種通過調控蛋白膜結構來調控摩擦電輸出性能的方法。將難溶解的蛋白質粉末與另外一種蛋白質粉末共溶在強堿水溶液中并保持一段時間后，再進行酸化處理至中性，在中性條件下形成均勻的蛋白溶液，然后將蛋白溶液進行處理得到具有不同蛋白結構的蛋白溶液后加入增塑劑，經過熱處理使得蛋白質變性，得到成膜所需的更延伸的結構；最后蒸發溶劑得到質地均勻，具有透明度以及柔性好的蛋白膜。本發明通過改變了蛋白二級結構，從而改變了表面基團暴露情況，實現了蛋白膜的摩擦電行為的可調控；通過超聲等手段改變蛋白二級結構從而影響蛋白膜摩擦電學輸出性能。

技術領域

本發明涉及一種調控摩擦電輸出性能的方法，具體涉及了一種通過調控蛋白膜結構來調控摩擦電輸出性能的方法，通過調節植物蛋白膜二級結構來調節蛋白膜摩擦給電子特性的方法，從而實現摩擦納米發電機輸出電能的可調控。

背景技術

隨著對清潔和替代能源的不斷增長的需求，人們探索了各種技術，例如光伏，壓電，熱電換能器，靜電收集器和納米流體發生器等，以在我們周圍的環境中收集各種形式的可再生能源，例如機械能，化學能，太陽能，熱能和風能皆可被轉化為電能。眾所周知，機械能被認為是日常生活中可用的豐富而無處不在的能源，摩擦納米發電機作為一種適用于隨時隨地將周圍的機械能轉化為電能的新技術近年來快速發展，然而這也導致了電子垃圾的增多從而不可避免地給環境造成了負擔。并且由于可穿戴式電子設備以及可植入式醫療設備的廣泛開發，生態友好型的生物可降解的摩擦發電機引起了廣泛關注，由此可持續的生物材料引起了越來越多的興趣，并得到了廣泛開發。然而，目前生物可降解的摩擦發電機的開發仍處于初期階段，并且存在一些固有的缺陷，即低輸出功率密度和單調的摩擦電行為，這極大地限制了其大規模的應用。因此，使用天然分子探索具有可調節的物理和化學性質的生物材料變得越來越重要，并且可以作為解決生物可降解的摩擦發電機問題的一種替代方法。

蛋白質作為一種重要且最常見的生物大分子，由于其高可變性和結構可調節性，是化學聚合物一種有前景的替代物。此外，蛋白質骨架上豐富的酰胺基團(一種摩擦給電子基團)及其先進結構的多樣性，更為設計新穎的摩擦發電機提供了獨特的機會。

因此在這項工作中，探究了不同分子結構蛋白膜的摩擦電輸出行為，從而闡明了結構影響摩擦電性質的機理，進而可以采用不同技術手段來調控蛋白膜結構，具體引入了一種綠色的超聲波非熱處理物理技術來調節蛋白質的二級結構。通過該過程，可以調節蛋白質的二級結構，從而來實現蛋白膜摩擦電性能的極大改善和調控，并且我們還詳細闡述了它們之間的具體機理。為蛋白在可植入式及可穿戴式摩擦發電機的應用中提供了理論基礎及機會。

發明內容

本發明的目的在于探究蛋白質分子結構影響蛋白膜摩擦電性質的相關機理，并利用結構與摩擦電性質之間的影響關系來定向調控蛋白質的分子結構，從而實現蛋白膜作為摩擦電材料的輸出的可調控，具體調控蛋白質的二級結構來調控蛋白膜作為摩擦電材料的輸出性能，并探究了其相關機理。

本發明的制備方法具體包括以下過程：

將難溶解的蛋白質粉末與另外一種蛋白質粉末共溶在強堿水溶液中并保持一段時間后，再進行酸化處理至中性以允許電荷重分配來誘導蛋白質的重新折疊，此過程將導致蛋白質的疏水基團掩埋而帶電基團暴露，從而顯著提高了蛋白的溶解度，在中性條件下形成均勻的蛋白溶液，然后將蛋白溶液進行處理得到具有不同蛋白結構的蛋白溶液后加入增塑劑(減少蛋白鏈之間的相互作用使得膜拉伸性能提高，柔性增強，不易干裂)，經過熱處理使得蛋白質變性，得到成膜所需的更延伸的結構，蛋白質鏈可通過氫、離子、疏水和共價鍵(包括促進巰基氧化成二硫鍵，增強蛋白質膜的網絡強度)；最后蒸發溶劑得到質地均勻，具有透明度以及柔性好的蛋白膜。

處理手段包括超聲處理、調節pH、熱凝膠化或者糖基化。

超聲處理中，超聲的功率為0-950W，超聲的時間為0-30min。

所述的強堿水溶液為氫氧化鈉溶液調節pH至11-13，保持一段時間為2-8h；酸化處理采用加入鹽酸并調節pH至6-8。