拉伸强度超越天然蛛丝70%！中国科学家团队开发出人造“超级蚕丝”

蚕丝是熟蚕结茧时所分泌丝液凝固而成的蛋白质纤维，也称天然丝。蚕丝是古代中国的文明产物之一。几千年来，它一直被用作皇室和达官贵人奢华服饰用品的材料来源。如今，除了用作纺织面料外，蚕丝因具有生物相容性和生物降解等特性已在生物医学领域中被广泛应用，如作为外科缝线和补片的材料。此外，它还被用于组织再生实验。然而，由于蚕丝太过柔软，缺乏拉伸强度。因此，最大的优点也成了它最大的缺点。

近年来，研究人员通过比较发现，蚕丝的强度明显低于所有种类的蜘蛛丝，但由于蜘蛛太过好斗的习性导致无法人工饲养。科学家们于是就想到了退而求其次的办法：将蜘蛛的DNA植入家蚕体内，但这是一个昂贵且难以规模化的过程。

北京时间10月7日，发表在《Matter》上的一项最新研究中，来自天津大学生命科学学院林志教授和袁文苏教授领导的研究团队提出了一种简单策略，使蚕丝的强度能比天然蜘蛛丝高出70%。该方法颠覆了以前的观点，即蚕丝在机械性能上无法与蜘蛛丝相媲美，并为大规模生产高性能且高成本效益的丝基材料打开了一扇大门。

丝素蛋白（RSF）是从蚕丝中提取的天然高分子纤维蛋白，含量约占蚕丝的70%-80%。家蚕在蜕变为飞蛾形态的过程中，会使用富含丝素蛋白的柔软蚕丝来构建棉球状的茧。

在这项新研究中，该团队受到蜘蛛丝卵袋丝结构的人工纺丝启发，开发了一种使用再生丝素蛋白在金属离子凝固浴中纺制超强蚕丝纤维的简易策略。

天然蚕丝纤维由蚕丝胶包裹的纤维芯组成，但蚕丝胶通常会干扰商业用途纤维的纺丝。为了解决这个问题，首先，研究人员通过脱胶和溶解过程再生丝素蛋白。先前的研究表明，脱胶过程很容易导致肽和分子间二硫键的断裂，导致纤维中的链末端更多。因此，由降解的丝素蛋白纺成的人造纤维不能具有较高的拉伸强度。为此，研究人员通过使用特定化学试剂或蛋白水解酶适当控制脱胶温度和时间，实现了具有最小降解的最佳脱胶比率。

然后，为了增强用于纺丝的丝质，研究人员在金属离子凝固浴中使用再生蚕丝纤维纺制超强的丝纤维。测试结果显示，这种人造丝的拉伸强度达到了约2.0GPa，比蜘蛛丝的平均韧性高70%以上。它还表现出平均杨氏模量（固体材料抵抗形变能力的物理量）约43GPa，明显高于所有已知的天然蜘蛛丝。

通过显微镜下观察，研究人员将其描述为“光滑且坚固”的材料，表明这种人造丝可以承受外力。

结构分析表明，人造丝的超常强度可能归因于人工纤维中形成的高结晶度和小纳米晶体。在纺丝和纺丝后的拉丝过程中，Zn2+离子融入到纤维中，也可能有助于其优异的机械性能。

总之，该团队报告了一种使用低成本未降解的丝素蛋白和金属离子凝固浴纺制超强度人造丝的简单策略。这种人造丝的拉伸强度可以显著超过目前已知最强的蜘蛛丝。因此，这个新方法为大规模生产具有成本效益的高性能丝基材料打开了一扇充满希望的大门。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.08.028