蠶絲的性能和生物材料學(xué)研究
來源：中國紡織報(bào)
作者：中國紡織報(bào)
時(shí)間：2012-10-15 10:34:57
蠶絲不僅是紡織絲綢的纖維原料，同時(shí)也是一種極好的生物材料。近年來，蠶絲纖維性能的改造及絲蛋白在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究受到了越來越多的關(guān)注。
6月29日下午，復(fù)旦大學(xué)江灣校區(qū)的先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室里，生物谷通訊員就蠶絲以及絲蛋白在生物材料學(xué)領(lǐng)域的研究概況和生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用前景對邵正中教授進(jìn)行了訪談。
邵正中是我國著名的高分子科學(xué)家，他及其帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)對包括蠶絲和蜘蛛絲在內(nèi)的動(dòng)物絲及絲蛋白的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能以及紡絲進(jìn)行了深入而廣泛的研究，其研究成果發(fā)表在Nature、Nature Materials、Advanced Materials、Advanced Functional Materials等一流國際期刊上，并獲得教育部提名國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)(2004)、教育部長江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃特聘教授(2006)、上海市自然科學(xué)牡丹獎(jiǎng)(2006)和上海市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)(自然科學(xué))一等獎(jiǎng)(2011)等榮譽(yù)，并獲得國家杰出青年科學(xué)基金的資助(2005)。
與蠶絲結(jié)緣
1991年，邵正中在復(fù)旦大學(xué)高分子化學(xué)與物理專業(yè)獲得博士學(xué)位，主要從事高分子科學(xué)的研究。對于為什么會(huì)選擇蠶絲作為研究對象，邵正中表示：“選擇蠶絲作為研究對象實(shí)際上在博士生期間就已經(jīng)開始了。因?yàn)樾Q絲是一種蛋白纖維，由于蛋白質(zhì)是氨基酸與氨基酸通過肽鍵連接起來形成的分子量巨大的生物大分子，符合化學(xué)科學(xué)中高分子的標(biāo)準(zhǔn)，屬天然高分子。高分子科學(xué)與生命科學(xué)的交叉研究是一種趨勢，蠶絲材料的獲得非常容易，并且蠶絲業(yè)在中國又是一個(gè)重要的產(chǎn)業(yè)，在導(dǎo)師于同隱教授的鼓勵(lì)和指導(dǎo)下，我選擇了將蠶絲及絲蛋白作為一種高分子材料來研究。”
蠶絲的纖維性能與家蠶吐絲的行為有關(guān)
2002年，邵正中發(fā)現(xiàn)蠶絲的力學(xué)性能受到家蠶吐絲行為的影響，當(dāng)蠶絲連續(xù)不斷地以4mm/S的速度被抽出來，其延展性略高于蜘蛛絲，當(dāng)將蠶絲以13mm/S的速度抽出時(shí)，其斷裂能接近與于蜘蛛絲。該研究成果發(fā)表在Nature雜志上。針對蠶絲的力學(xué)性能與家蠶吐絲行為有關(guān)的問題，邵正中對此解釋道：“從纖維的特點(diǎn)方面看，蠶絲和蜘蛛絲并沒有本質(zhì)的區(qū)別，都是一種蛋白纖維。蠶絲和蜘蛛絲纖維特性的差異主要是由纖維蛋白的二級結(jié)構(gòu)或二級以上的結(jié)構(gòu)差異造成的，而這種結(jié)構(gòu)差異主要是由于家蠶和蜘蛛宏觀吐絲行為的不同造成的。”
邵正中繼續(xù)說道，“首先要弄明白的一點(diǎn)是無論蠶絲還是蜘蛛絲，其實(shí)是抽出來的，而不是吐出來的，了解了這一點(diǎn)對于理解蠶絲和蜘蛛絲的纖維差異與吐絲行為有關(guān)就變得非常容易。蜘蛛主腺體絲是在蜘蛛牽引的作用下連續(xù)不斷的從絲腺中抽出來的，而蠶絲表面具有一層絲膠，絲膠具有黏性，家蠶通過頭部八字形運(yùn)動(dòng)將蠶絲先固定在一點(diǎn)，然后把蠶絲從絲腺中抽出來粘在另外一點(diǎn)，如此反復(fù)運(yùn)動(dòng)從而結(jié)成圓形的繭。由于家蠶頭部運(yùn)動(dòng)方向和速度的變化，造成蠶絲纖維在粘結(jié)點(diǎn)位置的分子聚集態(tài)的不均一性。這一粘結(jié)點(diǎn)位置有可能成為蠶絲纖維中最脆弱的點(diǎn)，并且一根長纖維的蠶絲上具有無數(shù)個(gè)這樣的點(diǎn)，這是影響天然蠶絲纖維性能最重要的原因。”然后，邵正中補(bǔ)充道：“蠶絲被抽出來的速度差異影響到蠶絲蛋白的分子取向排列，從而造成不同的吐絲速度形成的蠶絲纖維性能不同。”
針對這一有趣的現(xiàn)象，生物谷通訊員向邵正中提出：“依據(jù)這一原理，能否設(shè)計(jì)一種方法用于改進(jìn)生產(chǎn)中蠶絲的質(zhì)量？”邵正中回答道：“理論上可行，但是實(shí)際中卻有很多困難。家蠶幼蟲的身體很軟，頭部的活動(dòng)性很強(qiáng)，家蠶頭部在擺動(dòng)的過程中，稍不注意就會(huì)把蠶絲弄斷。我們曾經(jīng)試驗(yàn)了很多方法，抽出來最長的蠶絲沒有超過兩米。因此，要想連續(xù)不斷地以特定的速度將蠶絲從家蠶的吐絲器中抽出來幾乎行不通。”生物谷通訊員繼續(xù)提問道：“全世界有上千種家蠶品系，是否可以從行為學(xué)的角度篩選或繁育出能夠生產(chǎn)高質(zhì)量蠶絲的品系呢？”邵正中點(diǎn)點(diǎn)頭，“或許可以，不同的家蠶品系之間由于體格或者行為的差異很可能影響到蠶絲最終的質(zhì)量。”
對于提高蠶絲質(zhì)量的研究，邵正中提出：“由于蠶絲是一種蛋白纖維，相對于其它纖維，具有容易降解的特性。利用分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的方法將蠶絲纖維蛋白的一級結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾，或許能促進(jìn)蠶絲纖維的穩(wěn)定性，從而使蠶絲制品能夠達(dá)到耐光、耐水的目的。”
蠶絲蛋白越來越多的運(yùn)用于生物醫(yī)學(xué)中
近幾年來，以蠶絲蛋白作為生物材料應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)中的研究不斷在高水平的國際期刊報(bào)道出來。邵正中對此說道：“由于蠶絲蛋白的來源簡單、純度高并具有良好的生物相容性，越來越多的研究人員嘗試使用蠶絲蛋白代替常規(guī)的生物醫(yī)學(xué)材料如膠原蛋白等。蠶絲蛋白能夠作為組織工程中提供干細(xì)胞生長的支架材料，也能夠應(yīng)用于骨再生的支撐材料。蠶絲蛋白也能夠做成微球和生物黏合劑，分別用于藥物分散的載體和手術(shù)創(chuàng)傷的縫合。”最后，邵正中說：“目前，蠶絲蛋白作為生物醫(yī)學(xué)材料在臨床上使用還面臨許多的困難，但是經(jīng)過科研人員的不斷努力，蠶絲蛋白必將成為生物醫(yī)學(xué)中廣泛使用的生物材料。”
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6月29日下午，復(fù)旦大學(xué)江灣校區(qū)的先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室里，生物谷通訊員就蠶絲以及絲蛋白在生物材料學(xué)領(lǐng)域的研究概況和生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用前景對邵正中教授進(jìn)行了訪談。
邵正中是我國著名的高分子科學(xué)家，他及其帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)對包括蠶絲和蜘蛛絲在內(nèi)的動(dòng)物絲及絲蛋白的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能以及紡絲進(jìn)行了深入而廣泛的研究，其研究成果發(fā)表在Nature、Nature Materials、Advanced Materials、Advanced Functional Materials等一流國際期刊上，并獲得教育部提名國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)(2004)、教育部長江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃特聘教授(2006)、上海市自然科學(xué)牡丹獎(jiǎng)(2006)和上海市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)(自然科學(xué))一等獎(jiǎng)(2011)等榮譽(yù)，并獲得國家杰出青年科學(xué)基金的資助(2005)。
與蠶絲結(jié)緣
1991年，邵正中在復(fù)旦大學(xué)高分子化學(xué)與物理專業(yè)獲得博士學(xué)位，主要從事高分子科學(xué)的研究。對于為什么會(huì)選擇蠶絲作為研究對象，邵正中表示：“選擇蠶絲作為研究對象實(shí)際上在博士生期間就已經(jīng)開始了。因?yàn)樾Q絲是一種蛋白纖維，由于蛋白質(zhì)是氨基酸與氨基酸通過肽鍵連接起來形成的分子量巨大的生物大分子，符合化學(xué)科學(xué)中高分子的標(biāo)準(zhǔn)，屬天然高分子。高分子科學(xué)與生命科學(xué)的交叉研究是一種趨勢，蠶絲材料的獲得非常容易，并且蠶絲業(yè)在中國又是一個(gè)重要的產(chǎn)業(yè)，在導(dǎo)師于同隱教授的鼓勵(lì)和指導(dǎo)下，我選擇了將蠶絲及絲蛋白作為一種高分子材料來研究。”
蠶絲的纖維性能與家蠶吐絲的行為有關(guān)
2002年，邵正中發(fā)現(xiàn)蠶絲的力學(xué)性能受到家蠶吐絲行為的影響，當(dāng)蠶絲連續(xù)不斷地以4mm/S的速度被抽出來，其延展性略高于蜘蛛絲，當(dāng)將蠶絲以13mm/S的速度抽出時(shí)，其斷裂能接近與于蜘蛛絲。該研究成果發(fā)表在Nature雜志上。針對蠶絲的力學(xué)性能與家蠶吐絲行為有關(guān)的問題，邵正中對此解釋道：“從纖維的特點(diǎn)方面看，蠶絲和蜘蛛絲并沒有本質(zhì)的區(qū)別，都是一種蛋白纖維。蠶絲和蜘蛛絲纖維特性的差異主要是由纖維蛋白的二級結(jié)構(gòu)或二級以上的結(jié)構(gòu)差異造成的，而這種結(jié)構(gòu)差異主要是由于家蠶和蜘蛛宏觀吐絲行為的不同造成的。”
邵正中繼續(xù)說道，“首先要弄明白的一點(diǎn)是無論蠶絲還是蜘蛛絲，其實(shí)是抽出來的，而不是吐出來的，了解了這一點(diǎn)對于理解蠶絲和蜘蛛絲的纖維差異與吐絲行為有關(guān)就變得非常容易。蜘蛛主腺體絲是在蜘蛛牽引的作用下連續(xù)不斷的從絲腺中抽出來的，而蠶絲表面具有一層絲膠，絲膠具有黏性，家蠶通過頭部八字形運(yùn)動(dòng)將蠶絲先固定在一點(diǎn)，然后把蠶絲從絲腺中抽出來粘在另外一點(diǎn)，如此反復(fù)運(yùn)動(dòng)從而結(jié)成圓形的繭。由于家蠶頭部運(yùn)動(dòng)方向和速度的變化，造成蠶絲纖維在粘結(jié)點(diǎn)位置的分子聚集態(tài)的不均一性。這一粘結(jié)點(diǎn)位置有可能成為蠶絲纖維中最脆弱的點(diǎn)，并且一根長纖維的蠶絲上具有無數(shù)個(gè)這樣的點(diǎn)，這是影響天然蠶絲纖維性能最重要的原因。”然后，邵正中補(bǔ)充道：“蠶絲被抽出來的速度差異影響到蠶絲蛋白的分子取向排列，從而造成不同的吐絲速度形成的蠶絲纖維性能不同。”
針對這一有趣的現(xiàn)象，生物谷通訊員向邵正中提出：“依據(jù)這一原理，能否設(shè)計(jì)一種方法用于改進(jìn)生產(chǎn)中蠶絲的質(zhì)量？”邵正中回答道：“理論上可行，但是實(shí)際中卻有很多困難。家蠶幼蟲的身體很軟，頭部的活動(dòng)性很強(qiáng)，家蠶頭部在擺動(dòng)的過程中，稍不注意就會(huì)把蠶絲弄斷。我們曾經(jīng)試驗(yàn)了很多方法，抽出來最長的蠶絲沒有超過兩米。因此，要想連續(xù)不斷地以特定的速度將蠶絲從家蠶的吐絲器中抽出來幾乎行不通。”生物谷通訊員繼續(xù)提問道：“全世界有上千種家蠶品系，是否可以從行為學(xué)的角度篩選或繁育出能夠生產(chǎn)高質(zhì)量蠶絲的品系呢？”邵正中點(diǎn)點(diǎn)頭，“或許可以，不同的家蠶品系之間由于體格或者行為的差異很可能影響到蠶絲最終的質(zhì)量。”
對于提高蠶絲質(zhì)量的研究，邵正中提出：“由于蠶絲是一種蛋白纖維，相對于其它纖維，具有容易降解的特性。利用分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的方法將蠶絲纖維蛋白的一級結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾，或許能促進(jìn)蠶絲纖維的穩(wěn)定性，從而使蠶絲制品能夠達(dá)到耐光、耐水的目的。”
蠶絲蛋白越來越多的運(yùn)用于生物醫(yī)學(xué)中
近幾年來，以蠶絲蛋白作為生物材料應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)中的研究不斷在高水平的國際期刊報(bào)道出來。邵正中對此說道：“由于蠶絲蛋白的來源簡單、純度高并具有良好的生物相容性，越來越多的研究人員嘗試使用蠶絲蛋白代替常規(guī)的生物醫(yī)學(xué)材料如膠原蛋白等。蠶絲蛋白能夠作為組織工程中提供干細(xì)胞生長的支架材料，也能夠應(yīng)用于骨再生的支撐材料。蠶絲蛋白也能夠做成微球和生物黏合劑，分別用于藥物分散的載體和手術(shù)創(chuàng)傷的縫合。”最后，邵正中說：“目前，蠶絲蛋白作為生物醫(yī)學(xué)材料在臨床上使用還面臨許多的困難，但是經(jīng)過科研人員的不斷努力，蠶絲蛋白必將成為生物醫(yī)學(xué)中廣泛使用的生物材料。”
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