白向麗，袁文肅

天津大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，天津 300072

動(dòng)物絲是地球上含量最豐富的天然高分子材料之一，由于具有可再生性、生物降解性和生物相容性，可廣泛應(yīng)用于紡織、光學(xué)、電子、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境工程等領(lǐng)域[1]。天然絲纖維優(yōu)異的力學(xué)性能與絲蛋白氨基酸構(gòu)成和層級(jí)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。此外，絲蛋白形成紡絲原液的過(guò)程，紡絲原液形成絲纖維的過(guò)程也是影響天然絲性能的關(guān)鍵[2]。人們通過(guò)對(duì)天然絲形成的過(guò)程、機(jī)制和層級(jí)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容的研究，以期利用人工紡絲得到可與天然絲材料相媲美的人工絲蛋白纖維[3]。然而，人工絲纖維的力學(xué)性能以及生物相容性，受到紡絲原液的濃度和成分、凝固浴類型、出絲口速度、環(huán)境溫度和濕度、紡絲設(shè)備形狀以及后處理試劑和過(guò)程等因素的綜合影響[4]。盡管目前已有多種較為成熟的人工紡絲方法，但其產(chǎn)品無(wú)法保持天然絲的層級(jí)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)[5]。本文介紹了天然絲的形成及其力學(xué)性能與層級(jí)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，以及常見(jiàn)的人工紡絲方法。

1 天然成絲的過(guò)程和機(jī)制

1.1 絲腺

1.1.1 蠶絲腺

蠶的產(chǎn)絲器官——蠶絲腺起源于唾液腺，成對(duì)存在，可分為后部絲腺 (PSG)、中部絲腺(MSG) 和前部絲腺 (ASG) 3個(gè)部分。后部絲腺上皮細(xì)胞負(fù)責(zé)產(chǎn)生分泌絲素蛋白，在絲腺中部管腔內(nèi)形成高濃度可溶的紡絲原液，中部絲腺上皮細(xì)胞負(fù)責(zé)分泌3種不同類型的絲膠蛋白[6]。前部絲腺漏斗狀部位至出絲口部位的內(nèi)部覆蓋一層角質(zhì)層膜，推測(cè)其作用有兩點(diǎn)：一是避免絲腺內(nèi)皮細(xì)胞受到絲纖維機(jī)械損傷，二是作為“透析膜”幫助紡絲原液脫水形成絲[7-8]。一對(duì)絲腺體產(chǎn)生的兩根絲素蛋白纖維在吐絲管的位置組成單根絲[8-9]。

1.1.2 蜘蛛絲腺

雌性蜘蛛體內(nèi)有7種不同的紡絲腺體，產(chǎn)生6種結(jié)構(gòu)、性能和功能不同的蛛絲和1種絲膠[10]。其中，最大的為主壺腹腺，它分為3部分：尾部(Tail)、囊(Sac)和導(dǎo)管 (Duct)，導(dǎo)管的末端有噴絲口[11]。尾部上皮細(xì)胞分泌蛛絲蛋白，在囊狀區(qū)域管腔內(nèi)形成高濃度可溶性紡絲原液，通過(guò)導(dǎo)管區(qū)域運(yùn)輸至噴絲口形成蛛絲[10]。與蠶絲腺類似，在漏斗處和導(dǎo)管區(qū)域內(nèi)部也有一層角質(zhì)層內(nèi)膜[7,12]。

1.2 絲蛋白

1.2.1 絲素蛋白

蠶絲的力學(xué)性能主要由絲素蛋白纖維決定。絲素蛋白 (Fibroin) 是由一條分子量約為350 kDa的重鏈蛋白和一條分子量約25 kDa的輕鏈蛋白以二硫鍵連接，與一個(gè)分子量約為30 kDa的糖蛋白P25以非共價(jià)作用連接而成[13]。絲素蛋白重鏈末端是親水的氨基末端和羧基末端結(jié)構(gòu)域(FibNT和FibCT)，中間由12個(gè)較大的疏水結(jié)構(gòu)域 (重復(fù)域) 和11個(gè)較小的親水結(jié)構(gòu)域 (非重復(fù)域)組成。疏水域可分為4個(gè)不同的亞域，(GAGAGS)n亞域是構(gòu)成β-微晶的主要單元[9]。

1.2.2 牽引絲蛋白

牽引絲是構(gòu)成蜘蛛網(wǎng)框架的主要成分，由主壺腹腺蛛絲蛋白MaSp1和MaSp2構(gòu)成，MaSp1是其主要成分。MaSp1由富含甘氨酸和丙氨酸的高度重復(fù)序列 (GA)n以及兩端非重復(fù)序列 (SpNT和SpCT) 組成[14-15]。蛛絲蛋白 (Spidroin) 重復(fù)域在不同蜘蛛體內(nèi)有很大差異，通常包含數(shù)百個(gè)重復(fù)單元。蛛絲蛋白的分子量與力學(xué)性能并不呈單純的正相關(guān)的關(guān)系[16]。研究表明，具有較長(zhǎng)聚丙氨酸區(qū)域的絲纖維強(qiáng)度更高，而具有高含量甘氨酸區(qū)域的絲纖維延展性更高[17]。蛛絲蛋白的末端結(jié)構(gòu)域是控制蛛絲蛋白溶解度和自組裝的調(diào)控元件，它們?cè)谶M(jìn)化上高度保守[12]。

1.3 天然紡絲原液

1.3.1 “膠束”假說(shuō)

天然紡絲原液是指絲腺分泌的絲素蛋白水溶液，用于絲纖維的形成。紡絲原液在后部、中部和前部絲腺管腔內(nèi)的濃度分別為12%–15% (W/V)、25% (W/V) 和30% (W/V) 左右[18]?？煞€(wěn)定儲(chǔ)存的高濃度紡絲原液對(duì)纖維的形成至關(guān)重要?！澳z束”假說(shuō)認(rèn)為高濃度紡絲原液中絲素蛋白是以蛋白膠束形式儲(chǔ)存的[19]。絲素蛋白分子在后部絲腺中主要以無(wú)規(guī)則卷曲和α-螺旋狀態(tài)存在，中部絲腺的絲素蛋白開(kāi)始出現(xiàn)少量β-折疊片層結(jié)構(gòu)，前部絲腺和已固化的絲纖維中出現(xiàn)大量β-折疊片層結(jié)構(gòu)。Jin等研究發(fā)現(xiàn)，家蠶絲素蛋白水溶液中具有直徑100–200 nm的微膠束，當(dāng)微膠束通過(guò)紡絲管道時(shí)，聚集成直徑0.8–15 μm的球狀絲素蛋白，在剪切力的作用下拉伸排列，形成β-折疊片層結(jié)構(gòu)豐富的微纖維。家蠶絲腺內(nèi)紡絲原液和天然蠶絲纖維核心都出現(xiàn)球狀結(jié)構(gòu)的事實(shí)與該假說(shuō)一致[20-21]。

1.3.2 “液晶”假說(shuō)

蜘蛛主壺腹腺囊中紡絲原液穩(wěn)定的儲(chǔ)存濃度為30%–50% (W/V)[18]。“液晶”假說(shuō)認(rèn)為，主壺腹腺內(nèi)的蛛絲蛋白是以高濃度向列相液晶形式生產(chǎn)和儲(chǔ)存的[22]。新合成的蛛絲蛋白與其分泌細(xì)胞垂直排列，當(dāng)紡絲原液經(jīng)過(guò)紡絲管道時(shí)，由于拉伸流動(dòng)和剪切力作用，蛛絲蛋白平行于紡絲管道排列。這種假說(shuō)解釋了高濃度紡絲原液的低粘度性和低聚集傾向性[23]。然而，研究表明蛛絲蛋白在靠近噴絲口的區(qū)域才開(kāi)始出現(xiàn)大量β-折疊片層構(gòu)象，在此之前以α-螺旋和無(wú)規(guī)則卷曲構(gòu)象為主，呈球形[18]。Viney等提出假說(shuō)，單獨(dú)的蛛絲蛋白是球狀的，多個(gè)蛛絲蛋白亞基則能夠形成長(zhǎng)的超分子棒狀結(jié)構(gòu)[24-25]。盡管高濃度絲蛋白溶液存儲(chǔ)形式仍有待確認(rèn)，但是以蛋白膠束或者液晶相狀態(tài)儲(chǔ)存的假說(shuō)并不互相排斥。

1.4 成絲的影響因素

1.4.1 pH梯度

絲腺合成的碳酸酐酶 (Carbonic anhydrase)和ATP酶驅(qū)動(dòng)的質(zhì)子泵，負(fù)責(zé)產(chǎn)生H+和HCO3–，形成絲腺內(nèi)的pH梯度，控制絲蛋白的構(gòu)象、穩(wěn)定性和溶解度，對(duì)于絲蛋白的聚合、紡絲原液的液晶形態(tài)形成以及絲纖維的形成都至關(guān)重要[6,26]。絲腺內(nèi)紡絲原液pH是沿紡絲腺逐漸降低的，最新測(cè)得蠶絲腺內(nèi)pH梯度為8.2–6.2[6]，蜘蛛主壺腹腺內(nèi)pH梯度7.6–5.7[26-27]。

絲蛋白構(gòu)象的改變主要是通過(guò)酸性氨基酸殘基質(zhì)子化完成的。FibNT在中性pH條件下采用無(wú)規(guī)則卷曲構(gòu)象，在較低pH條件下呈反平行β-折疊片層構(gòu)象[19]。此外，F(xiàn)ibNT隨著絲腺中pH的降低，能夠形成膠束結(jié)構(gòu)，誘發(fā)絲素蛋白的自組裝，促進(jìn)絲纖維的形成[19]。SpNT在中性和較高pH條件下，主要以高溶解度的單體形式存在，在pH小于6.4時(shí)發(fā)生二聚反應(yīng)[28-29]。SpCT在pH高于6.5時(shí)以α-螺旋形式存在，穩(wěn)定且溶解性強(qiáng)，通常以二硫鍵連接形成同源二聚體。SpCT在pH低于5.5的條件下形成β-折疊片層結(jié)構(gòu)，誘發(fā)蛛絲纖維的形成[14,26]。

1.4.2 離子梯度

生物體內(nèi)，金屬離子可以選擇性地與絲蛋白主鏈和側(cè)基配位，也可以破壞或增強(qiáng)分子鏈上的氫鍵，從而影響絲纖維的強(qiáng)度、韌性、楊氏模量等力學(xué)性能[30]。研究表明，蠶后部到前部絲腺的Na+、K+、Mg2+和Zn2+濃度遞增，而Ca2+濃度降低[31]。蜘蛛主壺腹腺導(dǎo)管附近區(qū)域，Na+和Cl–濃度降低，K+、PO43–濃度增加[13]。研究表明，隨著Ca2+濃度的提高，絲蛋白的α-螺旋和無(wú)規(guī)則卷曲構(gòu)象水平先降低再升高，β-折疊片層構(gòu)象水平與之相反，蠶絲的延展性和直徑增加[32]。K+和PO43–有利于重組蛛絲蛋白聚集，從而促進(jìn)絲纖維的形成[33]。

1.4.3 剪切力

絲腺幾何形狀的改變，能夠使其內(nèi)部產(chǎn)生剪切應(yīng)力[34]。紡絲原液在紡絲管道中受到流動(dòng)拉伸和剪切應(yīng)力，絲蛋白轉(zhuǎn)變?yōu)棣?折疊片層構(gòu)象并沿著絲纖維軸平行排列[35]。剪切力能夠促進(jìn)絲素蛋白分子的取向和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，改善絲纖維的力學(xué)性能。然而，不改變pH、離子類型和濃度梯度等條件，僅控制剪切力得到的再生絲力學(xué)性能依然比天然蠶絲差[36]。綜上，絲蛋白需要在剪切力、pH和金屬離子梯度等多種因素共同作用下，充分變形，自發(fā)脫水，重折疊，相分離，最終聚集形成具有優(yōu)異力學(xué)性能的固態(tài)絲纖維。

2 天然絲的層級(jí)結(jié)構(gòu)

天然絲是一種半晶體材料，結(jié)晶區(qū)分散在非結(jié)晶區(qū)域中，絲蛋白大分子鏈取向平行于絲纖維軸。研究表明，絲纖維的強(qiáng)度和剛性取決于內(nèi)部晶體區(qū)域的含量、微晶的尺寸和排列方向，而絲纖維的彈性則取決于包括無(wú)規(guī)則卷曲和α-螺旋結(jié)構(gòu)在內(nèi)的非晶體區(qū)域的含量[16,37]。核磁共振和X射線衍射實(shí)驗(yàn)表明，微晶狀顆粒存在于絲纖維上且具有良好取向[38]。絲蛋白特有的結(jié)構(gòu)和分子取向，使絲纖維具有獨(dú)特力學(xué)性能[39]。人們根據(jù)已有的研究成果，相繼提出多種絲纖維可能的層級(jí)結(jié)構(gòu)模型。

2.1 三種“簡(jiǎn)單”模型

Termonia首先提出“塊狀網(wǎng)狀”模型(Bulk network model) (圖1A)，其將蜘蛛牽引絲描述為一種用氫鍵結(jié)合的類橡膠基體，嵌入基體的晶體作為交聯(lián)位點(diǎn)，在非晶區(qū)形成一層高模量的薄層[14,39]。Termonia模型將絲纖維作為一個(gè)整體且預(yù)測(cè)的β-晶體含量遠(yuǎn)高于實(shí)際值[37]，但解釋了絲纖維力學(xué)性能源于β晶體。其次是Vollrath等提出“圓柱原纖維”模型 (Cylindrical fibril model)(圖1B)，基于蜘蛛和蠶絲纖維表面存在直徑90–170 nm原纖維的事實(shí)，認(rèn)為絲纖維是由大量的原纖維組成[40-41]。隨著絲纖維表面螺旋狀原纖維的發(fā)現(xiàn)，Jin等在“圓柱原纖維”模型基礎(chǔ)上又提出“膠束”模型 (Micellar model) (圖1C)，認(rèn)為纖維表面的螺旋狀原纖維是膠束結(jié)構(gòu)聚結(jié)和伸長(zhǎng)的結(jié)果[20]。納米原纖維是最簡(jiǎn)單的絲纖維結(jié)構(gòu)單元，然而并不足以解釋絲纖維優(yōu)異的力學(xué)性能。

2.2 兩種“層次”模型

隨著絲纖維結(jié)構(gòu)向更小的尺寸探索，Zhou等提出了“層次鏈”模型 (Hierarchical chain model)(圖1D)，認(rèn)為絲纖維是由許多結(jié)構(gòu)基元組成的，這些基元以分級(jí)的方式組織成結(jié)構(gòu)模塊和超模塊。蛛絲中最小的基元是β-折疊片層形成的微晶結(jié)構(gòu)、α-螺旋以及無(wú)規(guī)則卷曲[42-43]。Porter等提出“串珠”模型 (String of beads model) (圖1E)，認(rèn)為天然絲的力學(xué)性能是由絲蛋白分子鏈的特定折疊片段組成的納米級(jí)珠狀結(jié)構(gòu)決定的。每個(gè)珠子包含7個(gè)折疊結(jié)構(gòu)，每個(gè)折疊有6–10個(gè)長(zhǎng)2–4 nm的肽段[44-45]。這兩種模型認(rèn)為絲纖維存在復(fù)雜的層次結(jié)構(gòu)，但并沒(méi)有精準(zhǔn)解釋各層級(jí)的構(gòu)成。

2.3 “平板分段”模型

以重組蛛絲蛋白為研究對(duì)象，Oroudjev等提出了“平板分段”模型 (Slab segment model) (圖1F)。該模型認(rèn)為單個(gè)絲蛋白分子多肽鏈折疊成一個(gè)扁平的片狀結(jié)構(gòu)，包括4個(gè)被親水非α-螺旋結(jié)構(gòu)間隔開(kāi)的疏水β-折疊片層。在水溶液中，30個(gè)片狀結(jié)構(gòu)以“對(duì)齊排列”或“交錯(cuò)排列”的方式堆疊，平行于絲纖維軸，形成蛛絲中納米纖維的片段[46]。然而，研究表明絲纖維中“平板結(jié)構(gòu)”多于該模型的假設(shè)[47]。

2.4 “納米魚(yú)網(wǎng)”模型

最近，Liu等提出了“納米魚(yú)網(wǎng)”模型(Nanofishnet model)(圖1G)，該模型認(rèn)為絲蛋白多聚丙氨酸區(qū)域形成的β-折疊片層能夠以逐層堆疊方式形成β-納米微晶，β-納米微晶再通過(guò)無(wú)定形鏈交聯(lián)形成魚(yú)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，組成納米絲纖維。β-微晶作為納米魚(yú)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)，起到交聯(lián)作用，能夠增強(qiáng)絲纖維的力學(xué)性能?！棒~(yú)網(wǎng)”模型下絲纖維力學(xué)性能是最優(yōu)的，它解釋了絲纖維內(nèi)部β-折疊片層之間相互作用以及β-納米微晶的高密度和高有序性[47]。

圖1 天然絲的層級(jí)結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the hierarchical structure model of natural silk.(A) Bulk network model.(B) Cylindrical fibril model.(C) Micellar model.(D) Hierarchical chain model.(E) String of beads.(F) Slab segment model.(G)Nanofishnet model.

綜上所述，絲纖維的層級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)性能起決定性的作用[14,16,48]。天然絲纖維結(jié)構(gòu)可分為5個(gè)層次，第1層級(jí)是絲蛋白的氨基酸序列；第2層級(jí)是絲蛋白肽鏈折疊形成的α-螺旋、β-折疊片層和無(wú)規(guī)則卷曲，其中β-折疊片層采用反平行排列[9]；第3層級(jí)是由相鄰β-折疊片層形成的β-微晶結(jié)構(gòu)，較高密度[49]和較小尺寸的β-微晶能夠產(chǎn)生更高力學(xué)性能的絲纖維[50-52]；第4層級(jí)由無(wú)定形鏈將平行于纖維軸的β-微晶連接起來(lái)形成的納米微纖維[47,53-54]；第5層級(jí)是納米微纖維形成的天然絲[53-55]。絲纖維的結(jié)構(gòu)層層遞進(jìn)，決定了其優(yōu)異的力學(xué)性能，對(duì)人工絲纖維的生產(chǎn)具有啟發(fā)作用。

3 人工紡絲

天然絲的綜合力學(xué)性能優(yōu)于絕大多數(shù)人工絲纖維。這是由于天然紡絲原液在絲腺中受到pH梯度、離子梯度和剪切力等因素的綜合影響，而產(chǎn)生較好的絲蛋白結(jié)構(gòu)、取向和纖維層級(jí)結(jié)構(gòu)。然而現(xiàn)有的多數(shù)紡絲工藝較為簡(jiǎn)單、仿生程度低，得到的人工絲纖維沒(méi)有精密的層級(jí)結(jié)構(gòu)[4,21]。結(jié)合本文已有的內(nèi)容，對(duì)人工紡絲的紡絲原液、紡絲方法和后處理過(guò)程等進(jìn)行介紹。

3.1 人工紡絲原液

人工紡絲原液是由再生/重組絲蛋白和溶劑共同組成，影響絲的可紡性、力學(xué)性能和生物相容性[4]。再生/重組絲蛋白獲取方式主要有3種。一是直接解剖蜘蛛和蠶的絲腺獲取。該紡絲原液性能最為優(yōu)異，但是制備費(fèi)時(shí)昂貴，無(wú)法大規(guī)模生產(chǎn)[56]。二是利用基因工程技術(shù)生產(chǎn)重組絲蛋白[57-59]，通過(guò)細(xì)菌[17]、酵母[60]、昆蟲(chóng)細(xì)胞[61]、哺乳動(dòng)物細(xì)胞[62]和植物細(xì)胞[63]等多種表達(dá)系統(tǒng)來(lái)表達(dá)絲蛋白氨基酸序列。該方式適合于大規(guī)模生產(chǎn)，但是體外表達(dá)天然絲蛋白的全長(zhǎng)序列非常困難，現(xiàn)有重組絲蛋白的分子量大多數(shù)偏低。而絲纖維優(yōu)異的力學(xué)性能與絲蛋白完整的分子結(jié)構(gòu)密不可分[64-65]。三是使用溶劑破壞分子鏈間氫鍵，溶解天然絲獲得紡絲原液。目前，溶解天然絲的溶劑主要包括有機(jī)溶劑、離子液體和無(wú)機(jī)鹽水溶液等。然而，溶劑和溶解條件會(huì)導(dǎo)致絲蛋白不同程度的降解[4]。此外，為了提高人工絲的力學(xué)性能和生物相容性，生物大分子與紡絲原液可以共混使用[66]。

3.2 人工紡絲的方法

人工紡絲的方法有主要有濕法紡絲、干法紡絲和靜電紡絲等。

3.2.1 濕法紡絲

濕法紡絲是指將紡絲原液打入凝固浴中形成固態(tài)纖維，常用的凝固浴浴液包括鈉鹽、鋅鹽和銨鹽等鹽溶液，以及甲醇、乙醇和異丙醇等醇溶液。一元醇具有很強(qiáng)的誘導(dǎo)絲蛋白構(gòu)象快速轉(zhuǎn)變的能力，促進(jìn)β-折疊片層形成。隨著含醇凝固浴側(cè)基 (R基) 增加，絲纖維截面形狀逐漸偏離圓形。隨著凝固浴溫度的升高，截面與圓形的偏離減小[4]。再經(jīng)過(guò)后拉伸過(guò)程來(lái)改善絲纖維力學(xué)性能。紡絲原液的成分和濃度，凝固浴的類型、出絲口的速度、卷繞速度，環(huán)境溫度和濕度等因素共同作用決定了纖維的形態(tài)[4]。

Xia等[17]通過(guò)高密度發(fā)酵技術(shù)，在大腸桿菌中表達(dá)分子量為284.9 kDa的重組蜘蛛牽引絲蛋白。冷凍干燥后的重組絲蛋白溶解在六氟異丙醇溶劑中，以90% (V/V)甲醇溶液為凝固浴，形成的纖維經(jīng)過(guò)后處理拉伸為原長(zhǎng)的5倍，得到的人工蛛絲斷裂應(yīng)力 (508±108) MPa，延伸率15%±5%，楊氏模量 (21±4) GPa。天然絡(luò)新婦屬蜘蛛牽引絲絲蛋白分子量250–320 kDa，斷裂應(yīng)力740–1 200 MPa，延伸率18%–27%，楊氏模量11–14 GPa[67-68]。

Bowen等[69]利用合成生物學(xué)技術(shù)，采用翻譯后共價(jià)連接的方式，利用內(nèi)含子介導(dǎo)將兩個(gè)分子量分別為290 kDa和282 kDa的重組蜘蛛牽引絲絲蛋白連接，形成556 kDa的大分子量重組蛛絲蛋白。其中六氟異丙醇作為溶劑，95% (V/V) 甲醇溶液作為凝固浴，75% (V/V) 乙醇溶液作為后處理試劑。纖維拉伸為原長(zhǎng)6倍后，測(cè)得斷裂應(yīng)力為 (1.03±0.11) GPa，延伸率為18%±6%，楊氏模量為 (13.7±3.0) GPa，完全重現(xiàn)了天然絲纖維的力學(xué)性能[69]。

對(duì)比兩組研究發(fā)現(xiàn)，在相似的濕法紡絲方式下，隨著蛛絲蛋白重復(fù)序列含量的增加，重組蛛絲纖維的力學(xué)性能得到了極高的提升。這說(shuō)明蛛絲蛋白的重復(fù)序列區(qū)域含量對(duì)絲纖維的力學(xué)性能起到?jīng)Q定性的作用，與天然絲的研究結(jié)論相符。

3.2.2 干法紡絲

干法紡絲是將紡絲原液通過(guò)紡絲設(shè)備直接注入到空氣中，蒸發(fā)紡絲原液中揮發(fā)性溶劑，從而得到固態(tài)纖維的紡絲工藝。干法紡絲模仿自然成絲過(guò)程，操作簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低。

Ling等[1]將脫膠蠶絲用六氟異丙醇溶解，得到含微小原纖維的紡絲原液。該紡絲原液不僅具有高粘度和穩(wěn)定性，而且還具有典型的向列液晶特性。利用干法紡絲得到再生絲素纖維的平均楊氏模量為 (11±4) GPa，最高值19 GPa，已超越天然絲。該絲纖維沒(méi)有經(jīng)過(guò)復(fù)雜的后處理過(guò)程，性能卻如此優(yōu)異，關(guān)鍵在于其保留了天然絲的原纖維，證明了絲纖維的層級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)性能的重要性。

Luo[70]等利用微流體芯片紡絲，模仿天然絲腺管道的幾何形狀進(jìn)行制模。與簡(jiǎn)易注射器設(shè)備相比，微流體芯片能夠產(chǎn)生更好的剪切力。高濃度再生絲素蛋白水溶液作為紡絲原液，通道寬度為100 μm和250 μm的微流體芯片作為成絲設(shè)備，80% (V/V) 乙醇溶液作為后處理試劑，將纖維拉伸為原長(zhǎng)的2倍。寬度100 μm通道生產(chǎn)的再生纖維直徑小，以再生纖維束的形式進(jìn)行后處理。結(jié)果表明，250 μm通道產(chǎn)生的纖維力學(xué)性能略低于天然脫膠蠶絲，而100 μm通道產(chǎn)生的纖維力學(xué)性能高于天然脫膠蠶絲，最優(yōu)的楊氏模量19 GPa、斷裂應(yīng)力614 MPa、伸長(zhǎng)率27% 和斷裂能101 kJ/kg。對(duì)比這兩種再生絲纖維，寬度100 μm的通道產(chǎn)生的再生絲纖維束力學(xué)性能更優(yōu)異，可能是纖維束形成的絲相當(dāng)于天然絲纖維中的原纖維結(jié)構(gòu)，同樣證明絲纖維的力學(xué)性能和層級(jí)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

3.2.3 靜電紡絲

靜電紡絲是將紡絲原液在強(qiáng)電場(chǎng)中進(jìn)行噴射紡絲的技術(shù)。典型的靜電紡絲裝置由高壓電源、噴絲口和收集板3部分組成[71]。靜電紡絲原液的導(dǎo)電性、粘度和表面張力，絲蛋白分子量，電紡的流速、電壓值、噴絲口類型和噴絲口到收集板的距離，以及電紡時(shí)的環(huán)境溫度和濕度等都會(huì)影響所得納米纖維的質(zhì)量[72]。靜電紡絲得到的纖維氈具有比表面積大、孔隙率高、孔徑小、力學(xué)性能好、易于表面改性等優(yōu)點(diǎn)[73]。

Zarkoob等第一次將蛛絲利用六氟異丙醇溶解后，使用靜電紡絲方式得到納米纖維[74]。將纖維素納米晶體 (Cellulose nanocrystals，CNC) 與再生絲素蛋白水溶液超聲共混，作為電紡的紡絲原液，得到性能增強(qiáng)的復(fù)合材料。研究表明，添加2% (W/W) 的CNC，纖維氈的楊氏模量從0.44 Pa增加到15.17 Pa；添加0.5% (W/W) 的CNC，復(fù)合材料的斷裂應(yīng)變和韌性均有所提高。除了CNC增強(qiáng)了紡絲原液的粘度和電導(dǎo)率的原因外，這還可能是由于絲素蛋白和CNC分子之間的相互作用導(dǎo)致絲纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)更優(yōu)[75]。

Hang 等[76]利用同軸靜電紡絲的方式，生產(chǎn)具有“皮芯”結(jié)構(gòu)的再生絲膠/絲素蛋白復(fù)合纖維。靜電紡絲得到的再生絲素蛋白纖維氈的斷裂強(qiáng)度和斷裂能分別為 (1.06±0.23) MPa和 (3.74±1.75) J/kg，復(fù)合纖維氈分別為 (1.93±0.40) MPa和(7.21±4.14) J/kg，分別增加了近82%和93%。研究表明，復(fù)合纖維比再生絲素蛋白纖維具有更豐富的β-片層結(jié)構(gòu)、更好的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能。Hang等認(rèn)為絲膠蛋白的存在促進(jìn)絲素蛋白脫水和無(wú)規(guī)則卷曲/α-螺旋向β-片層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的過(guò)程[76]。在紡絲原液中加入復(fù)合材料，從絲纖維層級(jí)結(jié)構(gòu)考慮，也是通過(guò)增加分子間糾纏或者提高β-片層結(jié)構(gòu)的含量，從而達(dá)到提高電紡納米纖維氈的性能。

3.2.4 后處理過(guò)程

人工紡絲得到的纖維通常較脆，力學(xué)性能差[70,77]。后處理操作可以調(diào)整絲蛋白取向[78-79]，減小纖維直徑[77]，改善纖維的力學(xué)性能。醇溶液[80]、水蒸汽[81]和飽和硫酸銨溶液[81-82]是常見(jiàn)的后處理試劑。通常再生絲纖維在醇溶液中拉伸后再進(jìn)行浸泡處理，改善其力學(xué)性能[80]。拉伸能夠優(yōu)化再生絲纖維中β-微晶的取向，在后處理試劑中浸泡，能夠誘導(dǎo)再生絲纖維中絲蛋白從無(wú)規(guī)則卷曲/α-螺旋向β-折疊片層的構(gòu)象轉(zhuǎn)變。

4 應(yīng)用

絲蛋白纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的生物相容性和生物可降解性，可應(yīng)用在組織工程、藥物傳遞、光學(xué)、傳感、過(guò)濾和紡織等多個(gè)領(lǐng)域[9]。根據(jù)應(yīng)用需求的不同，對(duì)絲纖維性能有不同的側(cè)重要求，本文主要介紹以力學(xué)性能為基礎(chǔ)的絲纖維材料的應(yīng)用。

4.1 生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用

動(dòng)物絲纖維具有優(yōu)越的力學(xué)性能和生物相容性，可滿足組織工程支架的需求，為韌帶、肌腱、骨、皮膚、神經(jīng)和膀胱等組織再生提供穩(wěn)定的模板。此外，支架的力學(xué)性能也會(huì)影響細(xì)胞功能和粘附、增殖等行為[72]。Ling等[1]利用保留天然絲層級(jí)結(jié)構(gòu)的再生絲素纖維生產(chǎn)三維模型，人皮膚成纖維細(xì)胞 (HDFs) 可以沿再生絲素纖維軸生長(zhǎng)。絲纖維形成的納米微支架，能將肌肉收縮時(shí)的機(jī)械力從肌肉傳遞到骨骼，可用于肌腱和韌帶組織工程[83]。電紡納米絲素纖維支架可作為神經(jīng)支架，用于狗坐骨神經(jīng)的橋接[84]。

生物相容性和降解速率是生物材料在藥物傳遞應(yīng)用中的兩個(gè)重要特性，而良好的力學(xué)性能保證了藥物封裝的效果[9]。動(dòng)物絲纖維可提供藥物傳遞所需的理想特性。藥物與紡絲原液共混，通過(guò)同軸靜電紡絲，可以形成具有核殼結(jié)構(gòu)的囊狀載藥纖維。這種方式可以保持藥物分子的完整性和生物活性，局部接種藥物，可顯著減少藥物的副作用[72]。

兼具優(yōu)異力學(xué)性能、低細(xì)菌粘附性和良好生物相容性的絲蛋白纖維是一種常用的手術(shù)縫合線[84]。重組絲蛋白中可以引入對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)、分化和遷移有明顯作用的附加肽。絲蛋白纖維形成的纖維氈，具有良好的力學(xué)性能、生物相容性、透氣性和生物降解性，能夠促進(jìn)組織細(xì)胞的增殖，防止傷口感染，是理想的創(chuàng)面敷料之一[9]。此外，傷口敷料的纖維氈中也可以注入生長(zhǎng)因子，加速傷口愈合。

4.2 電子產(chǎn)品

生活中的“電子垃圾”含有大量有害有毒的物質(zhì)且不可降解，如果隨意丟棄、焚燒、掩埋，會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境。利用絲蛋白纖維開(kāi)發(fā)生物可降解的電子元件，可以使電子產(chǎn)品更加環(huán)保。用碳納米管對(duì)絲纖維進(jìn)行功能化處理，得到的復(fù)合絲纖維材料同時(shí)保持了絲纖維和碳納米管的性能，具有較高的力學(xué)性能、超疏水性、耐溶膠性能和熱敏感性。復(fù)合纖維編織成的織物對(duì)力、溫度、濕度和溶劑敏感，能夠應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備和實(shí)時(shí)醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備[85]。由于復(fù)合材料還具有生物相容性，也可以考慮應(yīng)用于醫(yī)用植入物[1]。除了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，復(fù)合材料在智能紡織品和智能皮膚等領(lǐng)域也有很大應(yīng)用潛力[83]。

4.3 紡織產(chǎn)品

絲蛋白纖維細(xì)膩柔軟、易染色、力學(xué)性能優(yōu)異、生物相容性好、抗菌且吸濕能力強(qiáng)，可應(yīng)用于抗菌服裝、運(yùn)動(dòng)服、軍裝和過(guò)濾織物等產(chǎn)品[9]。轉(zhuǎn)基因蠶表達(dá)蛛絲和蠶絲的融合基因，得到的重組絲蛋白纖維具有幾乎能媲美蛛絲的良好應(yīng)力和韌性，已經(jīng)編織了圍巾等衣物[86]。絲素蛋白與聚環(huán)氧乙烷共混開(kāi)發(fā)的納米絲素纖維膜可以生產(chǎn)環(huán)保有效的多功能空氣凈化過(guò)濾裝置[87]。此外，靜電紡絲得到的納米纖維氈能夠抵抗氣溶膠形式等化學(xué)物質(zhì)的滲透，是制造防護(hù)服的良好材料[72]。

總之，除了追求絲纖維更高的力學(xué)性能之外，在實(shí)際應(yīng)用中我們還需要克服其他挑戰(zhàn)。絲纖維作為藥物載體時(shí)，還需要尋找更加安全可控的藥物釋放方式[73]。復(fù)合絲纖維作為電子元件應(yīng)用時(shí)，需要穩(wěn)定測(cè)試結(jié)果，精確地控制所開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的性能。人工紡絲不僅需要優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，還需要模擬天然絲的層級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)取得更高的力學(xué)性能。在此基礎(chǔ)上，研發(fā)具有新功能的復(fù)合絲纖維材料，才能使人造絲纖維得到更廣泛的應(yīng)用。

5 總結(jié)

天然成絲是在pH梯度、離子梯度和剪切力等因素的綜合影響下，對(duì)絲蛋白溶液進(jìn)行分子級(jí)別精密的控制，產(chǎn)生具有復(fù)雜而精密的層級(jí)結(jié)構(gòu)，使天然絲具有極其優(yōu)異的力學(xué)性能、生物相容性和生物可降解性的過(guò)程[57]。了解成絲機(jī)制和絲的層級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)提高人工絲纖維的力學(xué)性能是極其必要的。人工絲纖維的綜合力學(xué)性能通常低于天然絲。仿生紡絲是較好的人工成絲方式，比如利用微流體芯片可以獲得較好的人工絲纖維，但是該方法較為復(fù)雜，難以規(guī)?；?。另一方面，通過(guò)控制重組/再生絲蛋白紡絲原液的成分、濃度和可紡性等條件，可得到高性能的人工纖維。絲蛋白結(jié)構(gòu)的完整性對(duì)其構(gòu)象的調(diào)節(jié)和絲纖維的形成至關(guān)重要?，F(xiàn)有人工絲纖維層級(jí)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可通過(guò)后處理一定程度上優(yōu)化。人們對(duì)于天然絲產(chǎn)生的認(rèn)識(shí)是一個(gè)不斷更新的過(guò)程，對(duì)于人工成絲的方式和影響因素探索也是一個(gè)不斷優(yōu)化的過(guò)程，此外，人工絲纖維的應(yīng)用也在不斷拓展，未來(lái)將實(shí)現(xiàn)其更大的價(jià)值。