我国科学家研制出“增强版蚕丝”——华宏农堂

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我国养蚕缫丝的历史悠久。蚕丝不仅能织成轻薄华美的丝绸,还具有很多其他优质的生物特性。但其强度和韧性的不足影响对蚕丝的进一步开发利用。近日,受蜘蛛卵鞘丝的人工纺丝启发,天津大学生命科学学院林志教授团队提出了高强度人造蚕丝制备的新方法。该团队利用脱胶试剂去除天然蚕丝中的粘性外层,结合金属离子辅助增强的方法,得到了高强度人造蚕丝。

认识蚕丝 生物特性优异但强度不足

虽然天然蚕丝的生物特性优异,但其平均抗拉强度却不及自然界中机械性能最优异的天然丝纤维——蜘蛛丝的一半,其他机械性能也远逊于蜘蛛丝,这限制了蚕丝的进一步应用。据了解,蜘蛛丝的拉伸强度是普通钢的3倍—5倍。

蜘蛛具有很强的领地意识,攻击性强且会同类相残,因此人类很难通过类似养殖蚕的方法,大规模饲养蜘蛛来获取天然蜘蛛丝。若能够大规模地获取高性能丝纤维并制备成具有相应功能的材料,其应用前景将极为广阔。“如果能通过人工纺丝的方式改造蚕丝、获得性能显著提升的人造蚕丝,将使工业制备廉价高强度丝纤维制品成为可能。”林志说。

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家蚕拥有高效的丝蛋白表达系统和复杂精密的蛋白组装成丝程序,生物特性方面具有一定的优势。且其大规模养殖历史悠久,技术成熟,我国桑蚕农业规模巨大,天然蚕丝及蚕丝蛋白来源极其广泛,价格也相对低廉。因为上述原因,蚕丝成为了研究丝蛋白材料的理想模型。

改造蚕丝 使其坚韧程度堪比蛛丝

人工纺丝的主要材料是对蚕茧处理后提取的丝素蛋白。此次研究中,林志教授团队使用了十二烷基硫酸钠和碳酸钠溶液辅助溶解蚕丝外部粘层的方法,使蚕茧的脱胶率达到了28%左右,并在保证脱胶的同时,尽可能维持丝素蛋白的高分子量。“使用这种降解程度轻微的高分子量再生丝素蛋白进行人工纺丝,可以大幅提高人造丝的机械性能。”林志强调。

在人工纺丝时,受到蜘蛛卵鞘丝蛋白人工纺丝的启发,团队使用基于锌和铁的金属离子溶液作为纺丝凝固浴的溶液。团队将浓缩的再生丝素蛋白通过微管像挤牙膏一样挤出。挤出的蛋白在含有锌离子和铁离子的溶液中迅速凝固,并形成细长的纤维。团队对这些纤维再进行了一系列处理,得到了物理性能优异的高强度人造蚕丝。

林志表示,此次制备的高性能人造蚕丝的平均强度和硬度更高,其强度超过了天然蜘蛛牵引丝平均强度的70%,硬度也显著高于目前已知的所有天然丝。

应用蚕丝 或将在多领域带来变革

随着对以天然蚕丝为代表的天然丝相关研究的日益增多,天然丝已不再单纯作为纺织这一传统产业的原材料,而是逐渐扩展到医药工程、化妆品等多个领域。

此次研究制备的高强度人造蚕丝同样具有较为广泛的应用前景。“高强度人造蚕丝的潜在应用领域可涵盖纺织、食品、医学等领域。高强度人造蚕丝可以被用来制造高强度服饰、食品保鲜薄膜、手术缝合线、创面敷料、医用修复材料等。”林志说。

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