蜘蛛仿生芯片制備CNF強韌化再生蠶絲

為了制備高性能的人造動物絲，人們以再生絲素蛋白（RSF）或者重組蜘蛛絲蛋白為紡絲原料，采用濕法紡絲、干法紡絲和靜電紡絲等工藝進行仿生紡絲。但與天然蜘蛛絲相比，人造動物絲的力學性能仍有待進一步提高。

近日，東華大學纖維材料改性國家重點實驗室張耀鵬、邵惠麗教授團隊選用再生絲素蛋白（RSF）水溶液為基本紡絲液，添加具有大長徑比的纖維素納米纖維（CNF）作為增強材料，并采用模擬蜘蛛大囊狀腺體形狀設計的微流體芯片作為紡絲器，基于微流體干法紡絲技術制備了CNF增強的再生蠶絲。采用該方法制備的再生蠶絲，僅添加0.1 wt %的CNF，RSF纖維的斷裂強度即可提高58%，纖維斷裂能、模量也有顯著提高。

同步輻射廣角衍射（SR-WAXD）和同步輻射小角散射（SR-SAXS）等結果表明，CNF和絲素蛋白之間存在的界面相互作用以及因此形成的中間相結構對纖維力學性能的提高有很大貢獻。紅外光譜和SR-SAXS結果表明，CNF的加入可促進纖維分子構象轉變，隨CNF添加量增大使得β-折疊構象含量增大，并且在CNF表面形成具有一定厚度的界面。SR-WAXD結果表明，隨CNF添加量增大，纖維的結晶度、取向度提高，晶粒尺寸減小，中間相含量增大，從而提高力學性能。同時，醇處理、后拉伸等作用可進一步誘導構象轉變，大幅提高纖維力學性能。

在此之前，該團隊曾模仿家蠶腺體設計微流體紡絲芯片，采用微流體干法紡絲工藝，制備了力學性能優(yōu)于天然蠶絲的再生蠶絲。生物相容性良好的絲素蛋白/CNF雜化纖維有望應用于組織修復和再生材料、儲能和傳感材料以及生物電子器件材料等。該研究成果不僅對高性能人造動物絲的制備有指導意義，還對其他合成纖維的高性能化有一定的借鑒意義。