2023-03-10 09:20:36
我國養蠶繅絲的歷史悠久。蠶絲不僅能織成輕薄華美的絲綢，還具有很多其他優質的生物特性。但其強度和韌性的不足影響對蠶絲的進一步開發利用。近日，受蜘蛛卵鞘絲的人工紡絲啟發，天津大學生命科學學院林志教授團隊提出了高強度人造蠶絲制備的新方法。該團隊利用脫膠試劑去除天然蠶絲中的粘性外層，結合金屬離子輔助增強的方法，得到了高強度人造蠶絲。
認識蠶絲 生物特性優異但強度不足
雖然天然蠶絲的生物特性優異，但其平均抗拉強度卻不及自然界中機械性能最優異的天然絲纖維——蜘蛛絲的一半，其他機械性能也遠遜于蜘蛛絲，這限制了蠶絲的進一步應用。據了解，蜘蛛絲的拉伸強度是普通鋼的3倍—5倍。
蜘蛛具有很強的領地意識，攻擊性強且會同類相殘，因此人類很難通過類似養殖蠶的方法，大規模飼養蜘蛛來獲取天然蜘蛛絲。若能夠大規模地獲取高性能絲纖維并制備成具有相應功能的材料，其應用前景將極為廣闊。“如果能通過人工紡絲的方式改造蠶絲、獲得性能顯著提升的人造蠶絲，將使工業制備廉價高強度絲纖維制品成為可能。”林志說。
家蠶擁有高效的絲蛋白表達系統和復雜精密的蛋白組裝成絲程序，生物特性方面具有一定的優勢。且其大規模養殖歷史悠久，技術成熟，我國桑蠶農業規模巨大，天然蠶絲及蠶絲蛋白來源極其廣泛，價格也相對低廉。因為上述原因，蠶絲成為了研究絲蛋白材料的理想模型。
改造蠶絲 使其堅韌程度堪比蛛絲
人工紡絲的主要材料是對蠶繭處理后提取的絲素蛋白。此次研究中，林志教授團隊使用了十二烷基硫酸鈉和碳酸鈉溶液輔助溶解蠶絲外部粘層的方法，使蠶繭的脫膠率達到了28%左右，并在保證脫膠的同時，盡可能維持絲素蛋白的高分子量。“使用這種降解程度輕微的高分子量再生絲素蛋白進行人工紡絲，可以大幅提高人造絲的機械性能。”林志強調。
在人工紡絲時，受到蜘蛛卵鞘絲蛋白人工紡絲的啟發，團隊使用基于鋅和鐵的金屬離子溶液作為紡絲凝固浴的溶液。團隊將濃縮的再生絲素蛋白通過微管像擠牙膏一樣擠出。擠出的蛋白在含有鋅離子和鐵離子的溶液中迅速凝固，并形成細長的纖維。團隊對這些纖維再進行了一系列處理，得到了物理性能優異的高強度人造蠶絲。
林志表示，此次制備的高性能人造蠶絲的平均強度和硬度更高，其強度超過了天然蜘蛛牽引絲平均強度的70%，硬度也顯著高于目前已知的所有天然絲。
應用蠶絲 或將在多領域帶來變革
隨著對以天然蠶絲為代表的天然絲相關研究的日益增多，天然絲已不再單純作為紡織這一傳統產業的原材料，而是逐漸擴展到醫藥工程、化妝品等多個領域。
此次研究制備的高強度人造蠶絲同樣具有較為廣泛的應用前景。“高強度人造蠶絲的潛在應用領域可涵蓋紡織、食品、醫學等領域。高強度人造蠶絲可以被用來制造高強度服飾、食品保鮮薄膜、手術縫合線、創面敷料、醫用修復材料等。”林志說。
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