蠶絲是熟蠶結繭時所分泌絲液凝固而成的蛋白質纖維，也稱天然絲。蠶絲是古代中國的文明產物之一。幾千年來，它一直被用作皇室和達官貴人奢華服飾用品的材料來源。如今，除了用作紡織面料外，蠶絲因具有生物相容性和生物降解等特性已在生物醫學領域中被廣泛應用，如作為外科縫線和補片的材料。此外，它還被用於組織再生實驗。然而，由於蠶絲太過柔軟，缺乏拉伸強度。因此，最大的優點也成了它最大的缺點。
近年來，研究人員通過比較發現，蠶絲的強度明顯低於所有種類的蜘蛛絲，但由於蜘蛛太過好鬥的習性導致無法人工飼養。科學家們於是就想到了退而求其次的辦法：將蜘蛛的DNA植入家蠶體內，但這是一個昂貴且難以規模化的過程。
北京時間10月7日，發表在《Matter》上的一項最新研究中，來自天津大學生命科學學院林志教授和袁文蘇教授領導的研究團隊提出了一種簡單策略，使蠶絲的強度能比天然蜘蛛絲高出70%。該方法顛覆了以前的觀點，即蠶絲在機械性能上無法與蜘蛛絲相媲美，並為大規模生產高性能且高成本效益的絲基材料打開了一扇大門。
絲素蛋白（RSF）是從蠶絲中提取的天然高分子纖維蛋白，含量約佔蠶絲的70%-80%。家蠶在蛻變為飛蛾形態的過程中，會使用富含絲素蛋白的柔軟蠶絲來構建棉球狀的繭。
在這項新研究中，該團隊受到蜘蛛絲卵袋絲結構的人工紡絲啟發，開發了一種使用再生絲素蛋白在金屬離子凝固浴中紡制超強蠶絲纖維的簡易策略。
天然蠶絲纖維由蠶絲膠包裹的纖維芯組成，但蠶絲膠通常會干擾商業用途纖維的紡絲。為了解決這個問題，首先，研究人員通過脫膠和溶解過程再生絲素蛋白。先前的研究表明，脫膠過程很容易導致肽和分子間二硫鍵的斷裂，導致纖維中的鏈末端更多。因此，由降解的絲素蛋白紡成的人造纖維不能具有較高的拉伸強度。為此，研究人員通過使用特定化學試劑或蛋白水解酶適當控制脫膠溫度和時間，實現了具有最小降解的最佳脫膠比率。
然後，為了增強用於紡絲的絲質，研究人員在金屬離子凝固浴中使用再生蠶絲纖維紡制超強的絲纖維。測試結果顯示，這種人造絲的拉伸強度達到了約2.0GPa，比蜘蛛絲的平均韌性高70%以上。它還表現出平均楊氏模量（固體材料抵抗形變能力的物理量）約43GPa，明顯高於所有已知的天然蜘蛛絲。
通過顯微鏡下觀察，研究人員將其描述為「光滑且堅固」的材料，表明這種人造絲可以承受外力。
結構分析表明，人造絲的超常強度可能歸因於人工纖維中形成的高結晶度和小納米晶體。在紡絲和紡絲後的拉絲過程中，Zn2+離子融入到纖維中，也可能有助於其優異的機械性能。
總之，該團隊報告了一種使用低成本未降解的絲素蛋白和金屬離子凝固浴紡制超強度人造絲的簡單策略。這種人造絲的拉伸強度可以顯著超過目前已知最強的蜘蛛絲。因此，這個新方法為大規模生產具有成本效益的高性能絲基材料打開了一扇充滿希望的大門。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.08.028
