蜘蛛仿生芯片制备CNF强韧化再生蚕丝

为了制备高性能的人造动物丝，人们以再生丝素蛋白（RSF）或者重组蜘蛛丝蛋白为纺丝原料，采用湿法纺丝、干法纺丝和静电纺丝等工艺进行仿生纺丝。但与天然蜘蛛丝相比，人造动物丝的力学性能仍有待进一步提高。

近日，东华大学纤维材料改性国家重点实验室张耀鹏、邵惠丽教授团队选用再生丝素蛋白（RSF）水溶液为基本纺丝液，添加具有大长径比的纤维素纳米纤维（CNF）作为增强材料，并采用模拟蜘蛛大囊状腺体形状设计的微流体芯片作为纺丝器，基于微流体干法纺丝技术制备了CNF增强的再生蚕丝。采用该方法制备的再生蚕丝，仅添加0.1 wt %的CNF，RSF纤维的断裂强度即可提高58%，纤维断裂能、模量也有显著提高。

同步辐射广角衍射（SR-WAXD）和同步辐射小角散射（SR-SAXS）等结果表明，CNF和丝素蛋白之间存在的界面相互作用以及因此形成的中间相结构对纤维力学性能的提高有很大贡献。红外光谱和SR-SAXS结果表明，CNF的加入可促进纤维分子构象转变，随CNF添加量增大使得β-折叠构象含量增大，并且在CNF表面形成具有一定厚度的界面。SR-WAXD结果表明，随CNF添加量增大，纤维的结晶度、取向度提高，晶粒尺寸减小，中间相含量增大，从而提高力学性能。同时，醇处理、后拉伸等作用可进一步诱导构象转变，大幅提高纤维力学性能。

在此之前，该团队曾模仿家蚕腺体设计微流体纺丝芯片，采用微流体干法纺丝工艺，制备了力学性能优于天然蚕丝的再生蚕丝。生物相容性良好的丝素蛋白/CNF杂化纤维有望应用于组织修复和再生材料、储能和传感材料以及生物电子器件材料等。该研究成果不仅对高性能人造动物丝的制备有指导意义，还对其他合成纤维的高性能化有一定的借鉴意义。