曹麗薇，林乃波，劉向陽(yáng)

（廈門(mén)大學(xué)材料學(xué)院和物理與機(jī)電工程學(xué)院軟物質(zhì)與生物仿生研究院，福建廈門(mén)361005）

光學(xué)功能化蠶絲纖維材料

曹麗薇，林乃波，劉向陽(yáng)

（廈門(mén)大學(xué)材料學(xué)院和物理與機(jī)電工程學(xué)院軟物質(zhì)與生物仿生研究院，福建廈門(mén)361005）

家蠶蠶絲是一種天然的蛋白質(zhì)纖維，蠶絲及其衍生物（凝膠、蠶絲薄膜和海綿等）具有獨(dú)特的力學(xué)性能、良好的生物相容性和生物降解性，已經(jīng)被應(yīng)用在紡織、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。最近，利用蠶絲獨(dú)特的性質(zhì)制備光學(xué)功能化蠶絲吸引了研究者的興趣?；趯?duì)蠶絲的絲膠和絲素結(jié)構(gòu)組成的總結(jié)，介紹了目前蠶絲結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究進(jìn)展，綜述了近年來(lái)對(duì)光學(xué)功能化蠶絲的研究，具體包括光學(xué)功能化蠶絲的重要種類(lèi)、制備和應(yīng)用。重點(diǎn)介紹了熒光性功能蠶絲基因工程、喂食法和復(fù)合等制備方法，該種材料用于生物支架成像、藥物緩釋載體和光學(xué)器件等領(lǐng)域?？偨Y(jié)了利用生物仿生技術(shù)制備具有光子晶體結(jié)構(gòu)色的蠶絲材料，這為化妝品，變色服飾和生物光控器件開(kāi)辟了新方向；此外，蠶絲材料還可以應(yīng)用于非線性光學(xué)領(lǐng)域，如光限幅和激光防護(hù)。

蠶絲；熒光；光子晶體；光限幅

1 前 言

蠶絲迄今已有5 000年的歷史，是公認(rèn)的“纖維皇后”，其手感柔軟滑爽，有光澤，在紡絲行業(yè)已得到廣泛的應(yīng)用［1－2］。作為一種纖維材料，蠶絲應(yīng)用不僅僅局限于服裝行業(yè)。蠶絲是一種天然的蛋白質(zhì)纖維，隨著對(duì)其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的深入研究，其獨(dú)特的機(jī)械性能、良好的生物相容性和生物降解性已逐漸顯露優(yōu)勢(shì)，特別在生物醫(yī)用領(lǐng)域，可作為藥物緩釋載體、組織工程支架、手術(shù)縫合線等［3－4］。蠶絲可通過(guò)溶解制成絲素蛋白溶液，成型可得到再生絲素蛋白纖維、薄膜、凝膠等材料。近幾年來(lái)，研究人員對(duì)蠶絲的功能化進(jìn)行了更深入研究，采用多種方法對(duì)蠶絲材料進(jìn)行改性和功能化，這不僅提高了蠶絲本身的特性，同時(shí)增加了蠶絲本身不具有的功能，從而使其可以應(yīng)用于光電學(xué)器件和生物成像等領(lǐng)域［5－7］。如蠶絲再生薄膜光學(xué)透明性良好，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)（λ＝400～700 nm），透過(guò)率達(dá)95%，可用于微縮影像技術(shù)或光波導(dǎo)材料［6，8］；利用基因工程技術(shù)、染色和喂食法制備的彩色熒光蠶絲，可作為防偽用材料以及生物體內(nèi)成像。本文論述了具有光學(xué)性能的功能化蠶絲的最新進(jìn)展，從蠶絲的結(jié)構(gòu)特性出發(fā)，集中闡述具有熒光性能的蠶絲的制備方法、材料特性、應(yīng)用。此外還總結(jié)了蠶絲材料上刻蝕納米／微圖案、蠶絲光子晶體材料和光限幅蠶絲等方面研究成果，希望能為蠶絲材料在光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展起到鋪墊作用。

2 蠶絲的結(jié)構(gòu)

蠶絲為一種天然的生物高分子蛋白，它的主要組成結(jié)構(gòu)為外層的絲膠和內(nèi)層的絲素（圖1a），絲膠蛋白約占絲蛋白總量的20%～30%，絲素蛋白約占70%～80%。絲素蛋白由重鏈（H鏈，分子量350 kDa）、輕鏈（L鏈，分子量25.8 kDa）及糖蛋白P25（分子量23.55 kDa）組成［9］。絲素蛋白重鏈序列中包含結(jié)構(gòu)高度重復(fù)并富含甘氨酸的中間區(qū)和2個(gè)結(jié)構(gòu)重復(fù)性差的C端和N端，GAGAGS作為中間區(qū)的主要部分，被認(rèn)為是蠶絲中β-折疊微晶的構(gòu)成單位［11］（圖1b）。絲素蛋白分子的構(gòu)象可分為兩類(lèi)，即Silk I和Silk II結(jié)構(gòu)，Silk I結(jié)構(gòu)包括無(wú)規(guī)線團(tuán)（Random Coil）和α-螺旋（α-Helix），Silk II結(jié)構(gòu)呈反平行β-折疊（β-Sheet）。

蠶絲可視為高分子鏈沿纖維長(zhǎng)軸高度取向的半結(jié)晶高分子材料。由圖1a可見(jiàn)，蠶絲蛋白纖維由50～100根細(xì)纖維（Fibril）組成，細(xì)纖維又由無(wú)數(shù)根直徑約為20～30 nm的納米纖維組成，包含結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)，無(wú)定形鏈段由結(jié)晶區(qū)的β-折疊晶體鏈接成絲素蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［12－13］。目前，人們利用不同的方法檢測(cè)蠶絲結(jié)構(gòu)特征［14］。最近，Liu等［10，15－16］結(jié)合XRD，F(xiàn)TIR，TEM和AFM等方法檢測(cè)和比較蠶絲和蜘蛛絲的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。他們用XRD檢測(cè)了蠶絲的β-折疊晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度，采用FTIR測(cè)量了蠶絲的β-折疊含量，包括有無(wú)微晶結(jié)構(gòu)的β-折疊。結(jié)果如表1所示，蜘蛛絲無(wú)規(guī)則卷曲中含57%的β-折疊結(jié)構(gòu)，其中有43%為β-折疊微晶結(jié)構(gòu)，而蠶絲無(wú)序結(jié)構(gòu)中只含18%，但其中含有82%的β-折疊微晶，蠶絲總的β-折疊含量小于蜘蛛絲［17－18］。Ohgo［19］和Asakura［20］等用Rho-核磁觀察了蠶絲蛋白溶液在剪切力的作用下二級(jí)結(jié)構(gòu)的改變情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無(wú)規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)在剪切力的作用下更加松散，而β-折疊微晶結(jié)構(gòu)沒(méi)發(fā)生變化，因此，可利用適當(dāng)?shù)募羟辛?lái)改變蠶絲的二級(jí)結(jié)構(gòu)。Hu等［18］用熱重分析和紅外光譜研究了蠶絲蛋白薄膜在不同溫度的作用下，自組裝成β-折疊片行為。將樣品從192℃加熱至214℃，β-折疊片的含量從0.11上升至0.43，經(jīng)乙醇處理后，可達(dá)到0.56，這是由于無(wú)規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)向β-折疊轉(zhuǎn)變的結(jié)果。Teramoto等［21－22］對(duì)絲膠進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)絲膠在絲腺中部區(qū)域呈現(xiàn)無(wú)規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)，在抽絲過(guò)程中，結(jié)構(gòu)不發(fā)生顯著改變，而經(jīng)過(guò)熱處理后，絲膠蛋白的重復(fù)序列中含天冬氨酸的片段的這部分結(jié)構(gòu)容易改變。

表1 N.pilipes蜘蛛絲和家蠶蠶絲β-折疊晶體的比較［10］Tab le 1 A compa rison of theβ-sheet crystallinity of spide r N.p ilipes dragline silk and silkworm Bom byx m ori cocoon silk［10］

圖1 家蠶蠶絲多級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖（a），蠶絲由外層的絲膠和內(nèi)層的絲素組成，絲素蛋白由無(wú)數(shù)微纖維密切結(jié)合而成，包括結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)；家蠶蠶絲重鏈氨基酸序列（b），黑色加粗氨基酸序列為β-折疊構(gòu)成單位［10－11］Fig.1 The hierarchical structure illustration ofsilkworm silk（a），silkworm thread consistsof two proteins：an inner layer called fibroin and an outer covering called sericin，a silk fiber is composed of numerousminute fibrils，which are separated into crystalline and amorphous segments；and typical amino acid sequences of silkworm Bombyx mori silk heavy chain（b），bold amino acids indicate sequencemotifs that are recognized as being involved inβ-structures［10－11］

3 蠶絲的功能化

3.1 熒光蠶絲

蠶絲是一種非常重要的纖維材料，它的應(yīng)用已經(jīng)不僅僅局限在紡織行業(yè)。天然蠶絲的顏色有白色和黃色，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)獲得具有不同顏色的蠶絲，如紅色、綠色、橙色等。此外，經(jīng)過(guò)功能化后的蠶絲，還具有一些特殊功能，如熒光、防紫外、抗菌等，可用于紡織、生物醫(yī)學(xué)、防偽領(lǐng)域。目前制備熒光蠶絲方法，包括基因工程、喂食法、納米材料結(jié)合方法以及雙光子熒光技術(shù)等。

轉(zhuǎn)座子元件介導(dǎo)的轉(zhuǎn)基因技術(shù)在研究昆蟲(chóng)的基因功能時(shí)發(fā)揮了重要的作用。Yamao［23］和Ramura［24］等利用桿狀病毒將綠色熒光蛋白（GFP）導(dǎo)入到家蠶體內(nèi)，PiggyBac轉(zhuǎn)座子可調(diào)控重組DNA，使熒光蛋白基因在蠶體內(nèi)進(jìn)行表達(dá)（如圖2所示）。這種高效穩(wěn)定的家蠶轉(zhuǎn)基因技術(shù)可作為生物反應(yīng)器進(jìn)行基因工程蛋白體的表達(dá)。Cha［25］等利用這種技術(shù)，將綠色熒光蛋白（GFPuv）作為標(biāo)記物，觀察HIL－2和CAT在昆蟲(chóng)體內(nèi)的表達(dá)過(guò)程。通過(guò)GFPuv的熒光性可清晰地呈現(xiàn)目標(biāo)蛋白的表達(dá)過(guò)程和時(shí)間，以及對(duì)目標(biāo)蛋白產(chǎn)量的檢測(cè)。人們將熒光蛋白基因?qū)氲叫Q體體內(nèi)后，能夠獲得發(fā)綠色、紅色和橙色熒光的蠶絲［26－27］。基因工程技術(shù)制備熒光蠶絲的確是一種可行的辦法，然而其費(fèi)用高、效率低、操作復(fù)雜以及絲質(zhì)差等缺點(diǎn)，使在實(shí)際應(yīng)用上受到了一定的限制。此外GFP和其它的熒光蛋白激發(fā)譜范圍小，轉(zhuǎn)基因得到的蠶絲機(jī)械性能普遍較差。并且，熒光特性是否能穩(wěn)定遺傳至下一代［23］，仍是一個(gè)待解決的問(wèn)題。因此，基因工程技術(shù)在蠶絲方面的應(yīng)用仍面臨很大的挑戰(zhàn)。

圖2 PiggyBac結(jié)構(gòu)組成示意圖，綠色熒光蛋白基因（GFP）和家蠶A3肌動(dòng)蛋白啟動(dòng)子基因序列（a）；綠色熒光蛋白在蠶體表達(dá)和沒(méi)有表達(dá)的呈現(xiàn)圖（b）［24］Fig.2 Organization illustration of the PiggyBac constructs（a），including GFP coding sequence and B.mori A3 cytoplasmic actin gene promoter；and the image of silkworms with GFP expression orwithout（b）［24］

傳統(tǒng)的染色工藝制備彩色蠶絲，容易改變蠶絲的結(jié)構(gòu)，降低蠶絲的機(jī)械性能［28］，同時(shí)，大量的染料廢液排放，造成環(huán)境的污染。早在20世紀(jì)初期，人們?cè)谛Q的食物中添加有色染料，通過(guò)喂食法，最終得到彩色蠶繭，這為后來(lái)采用喂食法生產(chǎn)功能蠶絲奠定了重要的基礎(chǔ)。Goris［29］等使用很多染料，如普魯士藍(lán)、番紅精、龍膽紫、亞甲基藍(lán)、靛藍(lán)胭脂紅、茜草色素、品紅等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但很多染料都沒(méi)有在蠶繭中呈現(xiàn)。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)手段的落后，使喂食法的發(fā)展受到一定的限制。最近，Tansil等［30－31］將羅丹明B與蠶食混合，蠶進(jìn)食1 h后，可以明顯地觀察到羅丹明B已被蠶攝取，在紫外光下蠶體和蠶繭能發(fā)出橙色的熒光，同時(shí)所得的彩色熒光蠶絲的機(jī)械性能與傳統(tǒng)的蠶絲相比沒(méi)有發(fā)生很大的改變。此外，Tansil還用羅丹明101和羅丹明110進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)，都能得到預(yù)期的結(jié)果（如圖3所示）。研究發(fā)現(xiàn)，染料能否被蠶所攝取，與它們的親疏水結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，親疏水性適中的染料更易進(jìn)入蠶腺。這個(gè)發(fā)現(xiàn)有利于人們對(duì)所需的物質(zhì)進(jìn)行選擇，設(shè)計(jì)以及合成理想的結(jié)構(gòu)，從而使染料更容易進(jìn)入絲腺，與蠶絲蛋白結(jié)合，產(chǎn)生預(yù)期的彩色蠶絲。喂食法制備彩色熒光蠶絲，具有操作簡(jiǎn)單、高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。但熒光染料在蠶體內(nèi)的運(yùn)輸復(fù)雜，要使其有效進(jìn)入蠶絲腺內(nèi)，從而與蠶絲蛋白牢固結(jié)合，并保證熒光染料等物質(zhì)對(duì)蠶無(wú)害和對(duì)絲產(chǎn)量無(wú)影響，仍是喂食法生產(chǎn)功能蠶絲所需克服的難點(diǎn)。

圖3 進(jìn)食羅丹明101、羅丹明110、羅丹明B后以及未進(jìn)食染料的蠶幼蟲(chóng)圖片（a），a圖對(duì)應(yīng)的蠶繭照片（b），b圖蠶繭在紫外光照射下的圖片（c），蠶在紫外光照射下的圖片（d）［31］Fig.3 The photographs of silkworm larvae through addition of Rh 101，Rh 110，Rh B and control（a），the photographs of cocoons（b），the cocoons under UV light（c），and the larvae under UV light（d）［31］

近幾年來(lái)，納米顆粒的應(yīng)用受到廣泛的關(guān)注，由于其粒徑?。ǎ? 000 nm），比表面積大，表現(xiàn)出尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)，具有光、電、磁等特殊的性能，被應(yīng)用于醫(yī)藥、光電器件、生物傳感器等領(lǐng)域。蠶絲作為一種天然的生物大分子，將蠶絲與無(wú)機(jī)納米顆粒結(jié)合的潛在應(yīng)用已經(jīng)受到人們的關(guān)注。Su［32］等將蠶絲蛋白纖維（SFF）依次浸入到硝酸銀和氯化鈉溶液中，蠶絲表面的氨基酸帶負(fù)電，為Ag＋提供固定位點(diǎn)，逐步聚集形成Ag或AgCl納米顆粒，AgCl／SFF納米復(fù)合晶體可用作光催化劑和抗菌材料。Dubas［33］等用Layer-by-Layer自組裝制備了Ag／SFF抗菌材料，結(jié)果顯示，在蠶絲纖維上的抗菌率達(dá)到80%，而在尼龍纖維為50%，因此蠶絲纖維的抗菌效果更好。Li［34］等將TiO2和TiO2＠Ag納米顆粒利用共價(jià)鍵與蠶絲纖維結(jié)合，制備了防紫外及具有抗菌活性的SFF。Chang［35］等以蠶絲纖維作為模板，合成了具有強(qiáng)熒光和光催化特性的CdS和ZnS復(fù)合半導(dǎo)體量子點(diǎn)。Chu［36］等制備了外層包有PE／QD／PE三次物質(zhì)的熒光蠶絲，其可發(fā)出綠色、黃色、紅色及近紅外熒光的CdTe量子點(diǎn)，同時(shí)可提高蠶絲的強(qiáng)度，其可穿透厚度約為3.5 mm的不透明豬皮。Parker［37］等將激光染料羅丹明6G作為增益介質(zhì)，加入到蠶絲溶液中，制作了波導(dǎo)管，其可減小脈沖信號(hào)的損失。

蠶絲還可以與量子點(diǎn)復(fù)合得到具有特殊性能的發(fā)白光的蠶絲薄膜材料。Lin等［38］將一定摩爾比的ZnSe量子點(diǎn)和CdTe量子點(diǎn)混合，制備了（ZnSe）x／CdTe量子點(diǎn)溶液，隨后將其與蠶絲蛋白溶液通過(guò)分子識(shí)別自組裝形成復(fù)合蠶絲薄膜。通過(guò)SEM和TEM觀察，薄膜表面光滑，（ZnSe）x／CdTe量子點(diǎn)均勻分散在蠶絲蛋白溶液中。通過(guò)改變ZnSe和CdTe的摩爾比，可以調(diào)控薄膜的發(fā)光性。當(dāng)ZnSe與CdTe的摩爾比為30：1時(shí)，發(fā)藍(lán)光的ZnSe與發(fā)黃光的CdTe達(dá)到平衡，薄膜呈現(xiàn)白光（如圖4所示）。該方法為實(shí)現(xiàn)蠶絲在光學(xué)器件領(lǐng)域應(yīng)用提供了新的思路。

釆用納米顆粒結(jié)合的方法制備熒光蠶絲的局限性是蠶絲表面粘結(jié)的納米顆粒穩(wěn)定性不好，如絲織物表面有4～6×10－5Ag溶膠時(shí)，在前5次水洗后仍有100%的抗菌活性，但是在洗滌10次后，其抗菌活性僅剩80%［39］。

圖4 量子點(diǎn)功能化的白光蠶絲薄膜制作過(guò)程示意圖［38］Fig.4 Illustration of preparing quantum dots（QDs）functionalized white-light-emitting silk fibroin films［38］

支架材料作為細(xì)胞外基質(zhì)替代物的生物材料是組織工程研究的基礎(chǔ)。由于生物材料與人體組織直接接觸，因此其需要具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：良好的生物相容性、生物可降解性，三維多孔結(jié)構(gòu)和高的孔隙率，一定的機(jī)械性能，可塑性，抗凝血性。蠶絲具有很好的生物相容性，促進(jìn)細(xì)胞的增殖分化，誘導(dǎo)組織細(xì)胞的再生，無(wú)抗原作用［40－41］，同時(shí)蠶絲具有獨(dú)特的力學(xué)性能，可降解，且降解速度與生長(zhǎng)速度相匹配，有一定的孔隙率，因此是組織支架的理想材料。蠶絲蛋白作為組織工程支架材料，要使它能夠更好地支持細(xì)胞，及控制細(xì)胞的增殖和分化，主要的關(guān)鍵點(diǎn)是獲得蠶絲支架的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與組織之間的關(guān)系。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究者采用光譜技術(shù)分析蠶絲分子結(jié)構(gòu)組成［42］，用SEM和TEM觀察支架的三維結(jié)構(gòu)［41，43］。

近幾年，人們利用熒光分子與蠶絲蛋白結(jié)合制備熒光蠶絲支架，然后用于培養(yǎng)人結(jié)腸成纖維細(xì)胞，結(jié)果表明，蠶絲支架具有寬領(lǐng)域的激發(fā)波長(zhǎng)和強(qiáng)度熒光特性，毒性小，能有效地促進(jìn)細(xì)胞的附著與生長(zhǎng)，同時(shí)還可以用光學(xué)成像技術(shù)對(duì)支架的行為進(jìn)行觀測(cè)（如圖5所示）［7］。

雙光子熒光現(xiàn)象，是由于介質(zhì)在強(qiáng)激光作用下，同時(shí)吸收2個(gè)光子，再通過(guò)輻射躍遷發(fā)射1個(gè)熒光光子的過(guò)程［44－45］。與傳統(tǒng)的單光子熒光技術(shù)相比，雙光子熒光技術(shù)一般具備近紅外激發(fā)，因此在活體組織成像過(guò)程中能降低光損傷和光漂泊，以及具有深度組織穿透力的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是生物成像技術(shù)發(fā)展的里程碑。Lin等［7，46］利用雙光子熒光材料獲得功能蠶絲纖維。他們利用蠶絲表面的－NH識(shí)別相互聚集的具有雙光子熒光特性的4NF和8NF，由于聚集的4NF和8NF失去熒光特性，與蠶絲作用時(shí)，蠶絲表面的－NH與4NF和8NF的－NO2相互作用，使4NF和8NF解聚集而發(fā)出雙光子熒光，該技術(shù)在蠶絲支架材料生物醫(yī)學(xué)成像上得到了成功應(yīng)用（如圖6）。

圖5 NF蠶絲復(fù)合支架和3T3成纖維細(xì)胞橫截面雙光子熒光顯微照片（a）和NF蠶絲復(fù)合支架和3T3成纖維細(xì)胞三維雙光子熒光顯微照片（b）［7］Fig.5 TPFmicroscope image showing a cross-scetional view of NF silk fiber scaffold and 3T3 fibroblast cells（a）and three-dimensional TPF images of NF silk fiber scaffold and 3T3 fibroblast cells（b）［7］

蠶絲具有良好的生物降解性，蠶絲結(jié)構(gòu)中含有周期性的親疏水區(qū)域，使其與蛋白質(zhì)之間存在很強(qiáng)的相互作用力，可保持蛋白質(zhì)活性和控制藥物釋放，因此蠶絲是一種理想的藥物控／緩釋載體。熒光蠶絲作為藥物載體，可根據(jù)它的熒光性質(zhì)，追蹤藥物輸送至靶細(xì)胞的過(guò)程，確定是否藥物能與靶細(xì)胞結(jié)合，同時(shí)還可檢測(cè)藥物的輸送時(shí)間，藥物發(fā)揮作用的時(shí)間以及載體降解的情況。Wang X［47］等用羅丹明B添加至蠶絲溶液中，檢測(cè)藥物分子的量以及藥物的作用時(shí)間。

圖6 4NF和8NF與蠶絲蛋白耦合作用的示意圖（a），4NF與THF溶液、與蠶絲纖維混合物及與4NF固體粉末的熒光光譜圖（b），8NF纖維支架三維結(jié)構(gòu)的熒光顯微成像（c）［46］Fig.6 Schematic image of silk fibril decoup ling effectby themolecular recognition of4NF and 8NFmolecules（a），the fluorescentspectra of 4NF in THF solution，in silk fibers and in the solid powder form（b）and a two-photo fluorescentmicroscope image showing three-dimensional view of 8NF fabric scaffold（c）［46］

3.2 微納米光刻蠶絲

蠶絲蛋白是一種穩(wěn)定的生物大分子，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能化后可滿足光學(xué)元件的要求，如添加熒光物質(zhì)，可用于生物成像［48］。蠶絲蛋白薄膜是一種理想的光學(xué)透明材料，主要原因有以下幾點(diǎn)：首先，良好的機(jī)械性能促使蠶絲薄膜形成，同時(shí)能夠控制它的厚度（約20 nm～100μm），透明度高，有利于觀察；其次，蠶絲蛋白表面光滑，粗糙度小于5 nm。

Perry［8］等提出一種軟光刻技術(shù)，在蠶絲蛋白薄膜上利用該技術(shù)刻蝕了納米／微圖案（如圖7）。Lawrence和Amsden等［49－50］同樣利用納米光刻蠶絲蛋白薄膜，制備了生物醫(yī)學(xué)光學(xué)器件。該薄膜是將蠶絲蛋白溶液與血紅素混合后，均勻涂布在有機(jī)玻璃上，通過(guò)納米光刻在薄膜表面上刻蝕有600 mm的光柵，該技術(shù)結(jié)合納米光學(xué)、生物聚合以及生物相容性等特點(diǎn)，為光學(xué)器件的制造和應(yīng)用提供一條新的道路。雖然光刻技術(shù)是一種有效的制備光學(xué)器件的方法，然而蠶絲蛋白溶液在加工過(guò)程中需耗時(shí)12～36 h，大大減小生產(chǎn)效率，同時(shí)蠶絲蛋白的結(jié)構(gòu)容易被破壞，失去它原有的性質(zhì)。

圖7 蠶絲蛋白薄膜3D衍射縮微成像AFM圖：大范圍的蠶絲衍射圖（a），3D衍射縮微詳圖（b）和高質(zhì)量的蠶絲蛋白3D衍射微縮圖（c）［8］Fig.7 AFM images of a silk fibroin film that has3D diffraction micropatterning：large-scale view of diffraction patterned silk（a），detailed 3D geometry associated with themicropatterning（b）and high-quality projected image from a 3D diffraction pattern made in silk fibroin（c）［8］

3.3 光子晶體結(jié)構(gòu)色蠶絲

自然界中，許多生物體以特殊的物理結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生顏色，被稱之為結(jié)構(gòu)色［51］，如孔雀的羽毛，蝴蝶的翅膀，貝殼的顏色等［52］。結(jié)構(gòu)色是特殊組織結(jié)構(gòu)對(duì)光的色散、散射、干涉和衍射等選擇性反射的現(xiàn)象產(chǎn)生的視覺(jué)效果［53］。結(jié)構(gòu)色可應(yīng)用在光子晶體、化妝品和圖像技術(shù)中，其中，光子晶體通過(guò)控制光子的傳播而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色，具有高亮度、高飽和度、永不退色、虹彩現(xiàn)象等特點(diǎn)，是一種普遍的結(jié)構(gòu)色。仿生光子晶體結(jié)構(gòu)在仿生材料和仿生著色技術(shù)等應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

Diao等［55－56］以蠶絲纖維作為原料，制備了仿生光子晶體結(jié)構(gòu)色。利用簡(jiǎn)單快捷的自組裝技術(shù)，形成蠶絲纖維反蛋白石結(jié)構(gòu)。自組裝后的蠶絲纖維可呈現(xiàn)光子晶體結(jié)構(gòu)色，隨著觀察角度的變化，蠶絲纖維的顏色也隨之發(fā)生明顯的變化，顏色跨越紫外、可見(jiàn)、紅外光譜范圍。通過(guò)控制自組裝過(guò)程中的濕度，可改變蠶絲纖維光子晶體的光子禁帶，呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)色。蠶絲纖維光子晶體結(jié)構(gòu)色是紡織品著色的新方法，并獲得染料著色所不能實(shí)現(xiàn)的特殊著色效果（如圖8）［54］。

光子晶體結(jié)構(gòu)色可在涂料、印刷、化妝品等領(lǐng)域中應(yīng)用，同時(shí)還可利用其顏色變化機(jī)理，制備隱身衣。

3.4 光限幅蠶絲

在生物醫(yī)學(xué)和軍事領(lǐng)域中，激光是一個(gè)重要的工具，然而激光容易對(duì)人體造成損傷［46，57，58］。因此，防激光照射是目前應(yīng)解決的一大難題。Putthanarat［59］等制備了含綠色熒光蛋白（GFP）的蠶絲薄膜（10～20 mm），測(cè)試表明該薄膜具有光限幅性能，第一次實(shí)現(xiàn)蠶絲的光限幅性能。

圖8 蠶絲纖維仿生結(jié)構(gòu)色：（a）蝴蝶翅膀和孔雀羽毛的結(jié)構(gòu)色，（b）蠶絲纖維的蛋白石和反蛋白石結(jié)構(gòu)的制備和（c）具有結(jié)構(gòu)色的蠶絲纖維［54］Fig.8 Biomimetics of structural colors on silk fabrics：（a）the structure colorsofbutterfly and peacock feather，（b）fabrication of opal and inverse opal on silk fabrics and（c）structurally colored silk fabrics［54］

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)光學(xué)功能化蠶絲的制備和應(yīng)用進(jìn)行綜述，熒光蠶絲的制備方法，包括基因工程、喂食法、納米材料結(jié)合法以及雙光子技術(shù)，每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。彩色熒光蠶絲不僅可作為紡織材料，還可用于組織支架、藥物載體以及光學(xué)元件等。光子晶體結(jié)構(gòu)色具有高亮度、高飽和度、永不退色等特點(diǎn)，是仿生材料和仿生著色技術(shù)中很有前途的制備方法，在這種方法的基礎(chǔ)上通過(guò)引入不同先進(jìn)技術(shù)，可制備出各種光控器件、化妝品、印刷材料等。

References

［1］ Shao Z，Vollrath F.Materials：Surprising Strength of Silkworm Silk［J］.Nature，2002（418）：741－742.

［2］ Vepari C，Kap lan D L.Silk as a Biomaterial［J］.Progress in Polymer Science，2007（32）：991－1 007.

［3］ Altman G H，Diaz F，Jakuba C，et al.Silk-Based Biomaterials［J］.Biomaterials，2003（24）：401－416.

［4］ HakimiO，Knight D P，Vollrath F，et al.Spider and Mulberry Silkworm Silks as Compatible Biomaterials［J］.Composites Part B：Engineering，2007（38）：324－337.

［5］ Domachuk P，Tsioris K，Omenetto F G，et al.Bio-Microfluidics：Biomaterials and Biomimetic Designs［J］.Advanced Materials，2010（22）：249－260.

［6］ Fiorenzo G O，Kaplan D L.A New Route for Silk［J］.Nature Photonics，2008，2（11）：641－643.

［7］ Lin N B，Toh G Y W，Yan F，et al.Two-Photon Fluorescent Bombyx Mori Silk by Molecular Recognition Functionalization［J］.Journal of Materials Chemistry B，2014（2）：2 136.

［8］ Perry H，Gopinath A，Kap lan D L，et al.Nano-and Micropatterning of Optically Transparent，Mechanically Robust，Biocompatible Silk Fibroin Films［J］.Advanced Materials，2008（20）：3 070－3 072.

［9］ Inoue S，Tanaka K，Arisaka F，et al.Silk Fibroin of Bombyx Mori is Secreted，Assembling A High Molecular Mass Elementary Unit Consisting of H-chain，L-chain，and P25，with a 6：6：1 molar Ratio［J］.Journal Biological Chemistry，2000（275）：40 517－40 528.

［10］ Du N，Yang Z，Liu X Y，et al.Structural Origin of the Strain-Hardening of Spider Silk［J］.Advanced Functional Materials，2011（21）：772－778.

［11］ Ha SW，Gracz H S，Tonelli A E，etal.Structural Study of Irregular Amino Acid Sequences in the Heavy Chain of Bombyx Mori Silk Fibroin［J］.Biomacromolecules，2005（6）：2 563－2 569.

［12］ Shao Z Z，Vollrath F.Surprising strength of silkworm silk［J］. Nature，2002（418）：741.

［13］ Shi J，Lua S，Du N，et al.Identification，Recombinant Production and Structural Characterization of Four Silk Proteins from the Asiatic Honeybee Apis Cerana［J］.Biomaterials，2008（29）：2 820－2 828.

［14］ Jin Y，Hang Y，Luo J，et al.In Vitro Studies on the Structure and Properties of Silk Fibroin Aqueous Solutions in Silkworm［J］.International Journal of Biological Macromolecules，2013（62）：162－166.

［15］ Wu X，Liu X Y，Du N，et al.Unraveled Mechanism in Silk Engineering：Fast Reeling Induced Silk Toughening［J］.Applied Physics Letters，2009（95）：093 703.

［16］ Du N，Liu X Y，Narayanan J，et al.Design of Superior Spider Silk：from Nanostructure to Mechanical Properties［J］.Biophysical Journal，2006（91）：4 528－4 535.

［17］ Lefevre T，Rousseau M E，Pezolet M.Protein Secondary Structure and Orientation in Silk as Revealed by Raman Spectromicroscopy［J］.Biophysical Journal，2007（92）：2 885－2 895.

［18］ Hu X，Kaplan D，Cebe P.Determining Beta-Sheet Crystallinity in Fibrous Proteins by Thermal Analysis and Infrared Spectroscopy［J］.Macromolecules，2006（39）：6 161.

［19］ Ohgo K，Bagusat F，Asakura T.Investigation of Structural Transition of Regenerated Silk Fibroin Aqueous Solution by Rheo-NMR Spectroscopy［J］.Journal of the American Chemical Society，2008（130）：4 182.

［20］ Asakura T，Ohgo K，Komatsu K，et al.Refinement of Repeatedβ-turn Structure for Silk IConformation of Bombyxmori Silk Fibroin Using 13C Solid-State NMR and X-ray Diffraction Methods［J］.Macromolecules，2005（38）：7 397.

［21］ Teramoto H，Kakazu A，Asakura T.Native Structure and Degradation Pattern of Silk Sericin Studied by13CNMR Spectroscopy［J］.Macromolecules，2006（39）：6.

［22］ Teramoto H，Kakazu A，Yamauchi K，et al.Role of Hydroxyl Side Chains in Bombyxmori Silk Sericin in Stabilizing Its Solid Structure［J］.Macromolecules，2007（40）：1 562.

［23］ Yamao M，Katayama N，Nakazawa H.Gene Targeting in the Silkworm by Use of a Baculovirus［J］.Genes＆Development，1999（13）：511.

［24］ Tamura T，Thilbert C，Royer C，etal.Germ line Transformation of the Silkworm Bombyx Mori L.Using A Piggyback Transposon-Derived Vector［J］.Nature Biotechnology，2000（18）：81.

［25］ Cha H J，Dalal N G，Pham M Q.Insect Larval Expression Process isOptimized by Generating Fusionswith Green Fluorescent Protein［J］.Bioengineering，1999（65）：316.

［26］ Royer C，Jalabert A，Rocha M D，et al.Biosynthesis and Cocoon-Export of a Recombinant Globular Protein in Transgenic Silkworms［J］.Transgenic Research，2005（14）：463－472.

［27］ Liu JM，DavidW C，Ip DT，etal.High-Level Expression ofOrange Fluorescent Protein in the Silkworm Larvae by the Bac-to-Bac system［J］.Molecular Biology Reports，2009（36）：329－335.

［28］ Annadural V，Subramanyam G，Gopalkrishne U R，et al. Structure-Property Relation in Varieties of Silk Fibers［J］. Journal of Applied Polymer Science，2001（79）：1 979－1 985.

［29］ Tansil N C，Koh L D，Han M Y.Functional Silk：Colored and Luminescent［J］.Advanced Materials，2012（24）：1 388－1 397.

［30］ Tansil N C，Li Y，Teng C P，et al.Intrinsically Colored and Luminescent Silk［J］.Advanced Materials，2011（23）：1 463－1 466.

［31］ Tansil N C，Li Y，Koh L D，etal.The Use of Molecular Fluorescent Markers to Monitor Absorption and Distribution of Xenobiotics in a Silkworm Model［J］.Biomaterials，2011（32）：9 576－9 583.

［32］ Su H，Han J，Dong Q，et al.In Situ Bioinspired Synthesis of Silver Chloride Nanocrystals on Silk Fibroin Fibers［J］.Applied Physics A，2010（102）：429－434.

［33］ Dubas S T，Kum langdudsana P，Potiyaraj P.Layer-by-Layer Deposition of Antimicrobial Silver Nanoparticles on Textile Fibers［J］.Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects，2006（289）：105－109.

［34］ Li G，Liu H，Zhao H，et al.Chemical Assembly of TiO2and TiO2＠Ag Nanoparticles on Silk Fiber to Produce Multifunctional Fabrics［J］.Journal of Colloid and Interface Science，2011（358）：307－315.

［35］ Chang SQ，Kang B，DaiY D，et al.A Novel Route to Synthesize CdSQuantum Dots on the Surface of Silk Fibers viaγ-Radiation［J］.Materials Letters，2008（62）：3 447－3 449.

［36］ Chu M Q，Liu G J.Fluorescent Silkworm Silk Prepared via Incorporation of Green，Yellow，Red，and Near-Infrared Fluorescent Quantum Dots［J］.Nanotechnology，2008（7）：308－315.

［37］ Parker ST，Domachuk P，Amsden J，etal.Biocompatible Silk Printed Optical Waveguides［J］.Advanced Materials，2009（21）：2 411－2 415.

［38］ Lin N B，Hu F，Sun Y L，etal.Construction ofWhite-Light-E-mitting Silk Protein Hybrid Films by Molecular Recognized Assembly among Hierarchical Structures［J］.Advanced Functional Materials，2014（10.1002）：1－7.

［39］ GulrajaniM L，Gupta D，Periyasamy S，et al.Preparation and Application of Silver Nanoparticles on Silk for Imparting Antimicrobial Properties［J］.Journalof Applied Polymer Science，2008（108）：614－623.

［40］ Wu CY，Tian B Z，Zhu D A，etal.Propertiesand Application ofWound Protective Membranemade from Fibroin［J］.Third International Silk Conference，1996（9）：34－43.

［41］ Kim U J，Park J，Kim H J，etal.Three-Dimensional Aqueous-Derived Biomaterial Scaffolds from Silk Fibroin［J］.Biomaterials，2005（26）：2 775－2 785.

［42］ Zhao C，Yao J，Masuda H，et al.Structural Characterization and Artificial Fiber Formation of Bombyx Mori Silk Fibroin in Hexafluoro-Iso-Propanol Solvent System［J］.Biopolymers，2003（69）：253.

［43］ Altman G H，Horan R L，Lu H H，et al.Silk Matrix for Tissue Engineered Anterior Cruciate Ligaments［J］.Biomaterials， 2002（23）：4 131.

［44］ Albota M，Beljonne D，Bredas J L，et al.Design of Organic Molecules with Large Two-Photon Absorption Cross Sections［J］.Science，1998（281）：1 653－1 656.

［45］ He G S，Tan L S，Zheng Q，et al.Multiphoton Absorbing Materials：Molecular Designs，Characterizations，and Applications［J］.Chemical Reviews，2008（108）：1 245.

［46］ Lin N B，Liu X Y，Diao Y Y，et al.Switching on Fluorescent Emission by Molecular Recognition and Aggregation Dissociation［J］.Advanced Functional Materials，2012（22）：361－368.

［47］ Wang X，Hu X，Daley A，et al.Nanolayer Biomaterial Coatings of Silk Fibroin for Controlled Release［J］.Journal of Controlled Release，2007（121）：190－199.

［48］ Contag C H，Ross B D.It＇s not just about anatomy：in vivo bioluminescence imaging as an eyepiece into biology［J］.Journal of Magnetic Resonance Imaging，2002（16）：378－387.

［49］ Lawrence BD，Cronin-Golomb M，Georgakoudi I，etal.Bioactive Silk Protein Biomaterial Systems for Optical Devices［J］. Biomacromolecules，2008（9）：1 214－1 220.

［50］ Amsden J J，Domachuk P，Gopinath A，et al.Rapid Nanoimprinting of Silk Fibroin Films for Biophotonic Applications［J］. Advanced Materials，2010（22）：1 746－1 749.

［51］ Srinivasarao M.Nano-Optics in the Biological World：Beetles，Butterflies，Birds，and Moths［J］.Chemical Reviews，1999（99）：1 935－1 961.

［52］ Kinoshita S.Structural Colors in the Realm of Nature［M］.Singapore：World Scientific Publishing Company，2008.

［53］ Levkowitz H.Flat Panel Display Measurements Standard Version 2.0［J］.Color Research＆Application，2002（27）：375－376.

［54］ Li JL，Liu X Y.Soft FibrillarMaterials：Fabrication and Applications［M］.Weinheim：Wiley-VCH Verlag GmbH，2013：320.

［55］ Diao Y Y，Liu X Y，Toh GW，et al.Multiple Structural Coloring of Silk-Fibroin Photonic Crystals and Humidity-Responsive Color Sensing［J］.Advanced Functional Materials，2013（23）：5 373－5 380.

［56］ Diao Y Y，Liu X Y.Controlled Colloidal Assembly：Experimental Modeling of General Crystallization and Biomimicking of Structural Color［J］.Advanced Functional Materials，2012（22）：1 354－1 375.

［57］ Wang JX，Wen YQ，Ge H L，etal.Simple Fabrication of Full Color Colloidal Crystal Films with Tough Mechanical Strength［J］.Macromolecular Chemistry and Physics，2006（207）：596－604.

［58］ Su X，Xu H，Guo Q，et al.Stilbene-Containing Polyactylenes：Molecular Design，Synthesis，and Relationship between Molecular Structure and NLO Properties［J］.Journal of Polymer Science Part A：Polymer Chemistry，2008（46）：4 529－4 541.

［59］ Putthanarat S，Eby R K，Naik R R，et al.Nonlinear Optical Transmission of Silk／Green Fluorescent Protein（GFP）Films［J］.Polymer，2004（45）：8 451－8 457.

Functionalization of Silkworm Silk M aterials in Optics

CAO Liwei，LIN Naibo，LIU Xiangyang
（Research Institute for SoftMatter and Biomimetics，Xiamen University，Xiamen 361005，China）

As a kind of nature protein，silkworm silk and its derivatives（gels，silk fibroin foams and films）possess the uniquemechanical properties，biocompatibility and biodegradability，which have been app lied to textile and biomedical industry.Recently，there is a growing interest in introducing optical functionalities into silk.Based on the structure of sericin and fibroin，functionalization of silk was summarized in optics，specifically including the important species，preparation and application of fluorescent silk.This paper highlighted that the fluorescent silk can be produced by genetic engineering，feeding，and compositing etc.，which can be applied in scaffold imaging，drug delivery，and optical devices.In addition，this paper reviewed the fabrication of silk fabrics with photonic crystals structure colors using biom imetic techniques，which opens up a new direction of cometic，color dress，various devices and biological optical devices.At last，silk materials can also be applied in nonlinear optics，such as optical limiting and laser protection.

silk；fluorescence；photonic crystal；optical limiting

TS 102.3＋3

A

1674－3962（2014）11－0669－08

2014－08－01

廈門(mén)大學(xué)中組部千人計(jì)劃項(xiàng)目配套經(jīng)費(fèi)

曹麗薇，女，1990年生，碩士研究生

劉向陽(yáng)，男，1958年生，教授，博士生導(dǎo)師，Email：phyliuxy＠gmail.com

10.7502／j.issn.1674－3962.2014.11.04