蜘蛛仿生芯片制備CNF強(qiáng)韌化再生蠶絲

為了制備高性能的人造動(dòng)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(jìn)行仿生紡絲。但與天然蜘蛛絲相比，人造動(dòng)物絲的力學(xué)性能仍有待進(jìn)一步提高。

近日，東華大學(xué)纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張耀鵬、邵惠麗教授團(tuán)隊(duì)選用再生絲素蛋白（RSF）水溶液為基本紡絲液，添加具有大長(zhǎng)徑比的纖維素納米纖維（CNF）作為增強(qiáng)材料，并采用模擬蜘蛛大囊狀腺體形狀設(shè)計(jì)的微流體芯片作為紡絲器，基于微流體干法紡絲技術(shù)制備了CNF增強(qiáng)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(qiáng)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(jié)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(jié)構(gòu)對(duì)纖維力學(xué)性能的提高有很大貢獻(xiàn)。紅外光譜和SR-SAXS結(jié)果表明，CNF的加入可促進(jìn)纖維分子構(gòu)象轉(zhuǎn)變，隨CNF添加量增大使得β-折疊構(gòu)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(jié)果表明，隨CNF添加量增大，纖維的結(jié)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(xué)性能。同時(shí)，醇處理、后拉伸等作用可進(jìn)一步誘導(dǎo)構(gòu)象轉(zhuǎn)變，大幅提高纖維力學(xué)性能。

在此之前，該團(tuán)隊(duì)曾模仿家蠶腺體設(shè)計(jì)微流體紡絲芯片，采用微流體干法紡絲工藝，制備了力學(xué)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(yīng)用于組織修復(fù)和再生材料、儲(chǔ)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(duì)高性能人造動(dòng)物絲的制備有指導(dǎo)意義，還對(duì)其他合成纖維的高性能化有一定的借鑒意義。