我校物質(zhì)學(xué)院李濤教授課題組與鐘超教授課題組合作，聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種利用大腸桿菌生物被膜粘性蛋白CsgA來(lái)調(diào)控MOFs在多種高分子基底上結(jié)晶生長(zhǎng)的新方法。近日，該研究成果以“Adhesive Bacterial Amyloid Nanofibers-Mediated Growth of Metal-Organic Frameworks on Diverse Polymeric Substrates”為題，在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《Chemical Science》上在線(xiàn)發(fā)表。李濤課題組2015級(jí)本科生張崔政為第一作者，鐘超課題組2015級(jí)博士生李穎風(fēng)為共同第一作者，李濤和鐘超教授為共同通訊作者，上科大為第一完成單位。

金屬有機(jī)框架材料（Metal-OrganicFrameworks,MOFs）是一類(lèi)極其多樣化的多孔材料，在氣體存儲(chǔ)、氣體分離以及催化等許多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。然而對(duì)于一些基于MOFs的高附加值產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，例如氣體分離膜、可穿戴電子器件等，則通常需要將MOFs生長(zhǎng)在各種柔性高分子基底上。而目前尚未有一種普適性的方法能解決這個(gè)難題。

自然界中的大腸桿菌生物被膜能夠牢固的附著于各種各樣的基底材料上從而對(duì)細(xì)菌起到保護(hù)作用。這種超強(qiáng)的黏附能力歸功于大腸桿菌所分泌的CsgA蛋白亞基自組裝形成的卷曲纖毛纖維（Curli nanofibers,CNFs）。受這一現(xiàn)象的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)提出利用提純的CsgA蛋白作為高分子表面涂層，并利用涂層中CsgA蛋白富含的羧基、氨基、羥基以及吸附的咪唑等極性基團(tuán)為結(jié)晶中心，在多種高分子表面成功生長(zhǎng)出致密的MOFs薄膜。

該研究首先利用透射電子顯微鏡和原子力顯微鏡研究了一種模型MOF材料，ZIF-8在CNFs涂層上的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)ZIF-8晶粒在生長(zhǎng)初期確實(shí)沿著納米纖維網(wǎng)絡(luò)生長(zhǎng)，這驗(yàn)證了CNFs能夠作為有效的MOFs結(jié)晶中心促進(jìn)晶體生長(zhǎng)的可行性。其后，研究人員選擇了12種親疏水性不同的高分子基板對(duì)比研究了CNFs對(duì)ZIF-8結(jié)晶生長(zhǎng)的幫助，發(fā)現(xiàn)有CNFs涂層的高分子基板MOF覆蓋率相比未處理的高分子基板均得到了顯著的提高。尤其是在疏水且化學(xué)惰性的聚偏氟乙烯基板上，ZIF-8的覆蓋率提升達(dá)到了100倍。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將該方法拓展到塑料管、塑料纖維織物甚至具有復(fù)雜形狀的三維模型物體上，均取得了非常好的MOFs生長(zhǎng)效果。結(jié)合圖案化可控生長(zhǎng)的方法，李濤和鐘超課題組成功地利用MOF制作出了具有“ShanghaiTech”字樣的圖案，證明了該方法的靈活多變性。

此外，針對(duì)工業(yè)氣體分離中最困難的丙烷/丙烯氣體分離， 這項(xiàng)研究利用上述方法成功制備了無(wú)缺陷的ZIF-8和聚偏氟乙烯（Polyvinylidenefluoride，PVDF）的超薄復(fù)合膜，并實(shí)現(xiàn)了丙烷/丙烯的高效分離。相比傳統(tǒng)工業(yè)中需要極高能耗的冷凍蒸餾法，膜分離的方法能顯著降低能耗，為解決這一工業(yè)難題提供了新思路。

這項(xiàng)成果利用了生物基材料、多孔材料以及傳統(tǒng)化工等多領(lǐng)域知識(shí)和技術(shù)，充分體現(xiàn)了上科大強(qiáng)調(diào)交叉學(xué)科建設(shè)的重要性以及不同學(xué)科之間交流和合作的必要性。值得一提的是，第一作者張崔政目前是上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院的大三學(xué)生，他在上科大強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新和科教融合的氛圍下，很早就進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室從事科研活動(dòng)。這也從側(cè)面體現(xiàn)了上科大鼓勵(lì)和支持本科生創(chuàng)新并從事前沿科研活動(dòng)的指導(dǎo)精神。

該研究得到了上科大科研啟動(dòng)基金、上海“曙光學(xué)者計(jì)劃”、上?！捌纸瞬庞?jì)劃”、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目以及國(guó)家自然科學(xué)基金面上、青年和聯(lián)合基金等項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/sc/c8sc01591k#!divAbstract

圖1.大腸桿菌生物被膜用于控制MOFs材料在固相界面生長(zhǎng)的示意圖

圖2.紅色MOF微米顆粒生長(zhǎng)在各種形狀的高分子材料上