强韧支架用丝素蛋白基生物墨水及其3D打印支架模拟软件的开发

基于丝素蛋白（SF）和有限元分析方法，开发了一种强韧支架用丝素蛋白基生物墨水及其3D打印支架压缩性能模拟软件。表征了墨水的可打印性及对应水凝胶和3D打印支架的力学性能，评估了相关打印支架的细胞相容性。基于所述丝素蛋白基生物墨水，设计并制备了不同高度和孔隙率的3D打印支架，利用所开发软件和电子万能材料试验机对打印支架的压缩性能进行了模拟预测和实测对比。结果表明：该墨水可打印性佳，对应支架强度高韧性好、细胞相容性好。所开发软件操作简便，具有3D打印支架建模、模型压缩力学性能预测以及指导3D打印支架快速制备等功能。     

纺丝条件及纺丝液组成对丝素-丝胶蛋白同轴干纺纤维的影响

为了模仿家蚕的纺丝工艺及天然蚕丝的组成和皮芯结构,利用同轴干法纺丝技术制备了以再生丝素蛋白（RSF）为芯层、丝胶蛋白（SS）为皮层的RSF-SS纤维。研究了卷绕速率及芯层纺丝液中RSF质量分数对纤维形貌、2级结构及力学性能的影响。结果表明：复合纤维具有明显的皮芯结构;相对于RSF的质量分数,卷绕速率对纤维结构和性能的影...     

蜘蛛与蚕的人工强制纺丝研究进展

为制备高性能人造蜘蛛丝和蚕丝,人们在蜘蛛丝蛋白的基因重组、再生蜘蛛丝蛋白或蚕丝蛋白的仿生纺丝,以及蜘蛛与蚕的人工强制纺丝方面开展了大量工作.研究了人工强制纺丝,比较了蜘蛛牵引丝和蚕丝在不同纺丝条件下的力学性能.结果表明:在一定范围内增加纺丝速率有利于提高蜘蛛丝和蚕丝的力学性能,此外,环境温度、纺丝状态等条件对丝的性能也...     

微流体芯片动态调控蛋白水溶液pH或Ca~(2+)浓度

模拟蚕和蜘蛛的纺丝系统,以载玻片(75×25mm)为基片,SU-8为阳模材料,聚二甲基硅氧烷(PDMS)为微通道(宽500μm,深100μm)构筑材料,利用光刻及模塑成型等技术设计、制备了微流体芯片,并应用于再生丝素蛋白(RSF)水溶液组成的动态调控。该芯片利用微流体的层流特性使RSF水溶液与pH缓冲液或钙离子缓冲液在微通道内平行流动而不发生混合。在水溶液中RSF质量分数不变的前提下,通过离子扩散实现了流动场下RSF水溶液pH值或钙离子浓度的动态调控。     

蚕体内不同丝腺部位丝蛋白溶液结构与性质的研究

采用偏光显微镜研究了蚕体内不同丝腺部位(包括前部、中部和后部)中丝蛋白溶液的性质变化,并采用了拉曼光谱和旋转流变仪对中部丝腺(包括前区、中区及后区)的丝蛋白分子结构和流变性能进行了分析。结果发现:蚕体内只有前部丝腺及中部丝腺前区的丝蛋白溶液具有偏光现象;丝蛋白溶液在由中部丝腺后区向前区流动的过程中,粘度及弹性均逐渐变小,其构象则由无规卷曲逐渐向α-螺旋转变,并进一步形成β-折叠构象。由此表明,在蚕体内中部丝腺前区的丝蛋白溶液很可能已经形成了液晶态结构。     

再生丝素蛋白干纺纤维的后处理体系及方法

模仿蚕的干法纺丝工艺,制备了再生丝素蛋白纤维,并通过后处理进一步提高了其力学性能。结果表明:与无机盐水溶液后处理体系相比,醇的水溶液可显著促使蛋白构象从无规卷曲及α-helix转变为β-sheet。同时通过拉伸诱导β-sheet构象取向,干纺纤维的力学强度可大幅提高。在φ=80%的乙醇-水溶液中,将初生丝拉伸2倍后再浸泡1 h,其断裂强度可达200 MPa,断裂伸长率可达48%。     

后处理过程中以水为溶剂的干法纺再生丝素纤维的结构演变

以水为溶剂的干法纺再生丝素蛋白纤维可通过后处理提高其力学性能,且后处理方法对纤维性能的提高程度有很大影响。为了优化干法纺再生丝素蛋白纤维的后处理工艺,定量研究了两种后处理方法中再生丝素蛋白分子的取向结构和构象演变,即方法A(纤维先在φ=80%的乙醇水溶液中浸泡1 h,再在热蒸汽中拉伸2倍)与方法B(纤维先在φ=80%的乙醇水溶液中拉伸2倍,再在该溶液中浸泡1 h)。探讨了纤维结构变化与力学性能之间的关系。结果表明:在乙醇水溶液中或在热蒸汽中拉伸均比仅在乙醇水溶液中浸泡更有利于丝素蛋白的构象转变,也对提高丝素蛋白分子链的取向更为有效。与方法A相比,方法B更能提高纤维的取向程度、β-折叠构象的含量以及力学性能。     

丝素蛋白纤维及功能化材料的设计与构筑

随着环境污染、资源枯竭和医疗健康等问题的加剧,研发同时满足特定使用性能、安全性及可再生性的新型材料成为当前的发展趋势.而丝素蛋白材料正是以天然蚕丝为基本原材料,经一定的加工和功能化而形成的具有特殊结构、独特性能和广泛应用的生物质材料,近年来在生物医药、生物电子、智能传感等领域展现出巨大的应用潜力.本专论总结了丝素蛋白纤维及功能化材料的最新成果,结合本课题组相关工作,重点阐述了再生丝素蛋白纤维的仿生制备、生物医用支架的构筑与功能化、智能电子材料的设计以及天然多功能蚕丝及其构筑基元制备的研究进展,以期为高性能丝素蛋白材料的设计与构筑提供指导和借鉴.     

再生丝素蛋白水溶液的干法纺丝

以高浓度再生丝素蛋白水溶液为纺丝液,采用自制毛细管纺丝装置制备了再生丝素蛋白纤维.探讨了丝素蛋白分子量、pH、金属离子及纺丝工艺参数对溶液可纺性及纤维力学性能的影响.结果表明:当pH为5.2～6.0时,纺丝液表现出良好的可纺性,尤其以pH=6.0、Ca2+浓度为0.3 mol/L的纺丝液可纺性最佳.在最佳纺丝条件下(纺丝管长径比为133;卷绕速率为30mm/s)制得的纤维力学强度最高约为45.5 MPa.