再生蚕丝比天然纤维强几倍

一张照片显示了在紫外线下用若丹明染料着色的再生螺旋丝纤维。

麻省理工学院的工程师进行的新研究表明，重组丝可以比天然纤维强几倍，并且可以制成不同的形式。

当炮制构成天然丝纤维的复杂分子混合物时，自然就击败了人类工程学。尽管人们努力合成这种材料，但人造品种仍然无法与天然纤维的强度相提并论。

但是，通过从蚕产生的蚕丝开始，化学分解后再进行组装，工程师发现，它们可以制造出比天然同等硬度高两倍以上的材料，并且可以成型为复杂的结构，例如网眼和格子。

研究人员说，这种新材料被称为再生丝纤维（RSF），可以在商业和生物医学领域找到许多应用。这项发现发表在《自然通讯》杂志上，该论文由迈克菲工程学教授Markus Buehler，博士后盛胜杰，研究科学家赵琴和塔夫茨大学的三位论文共同发表。

蜘蛛生产的某些种类的丝绸是已知最坚固的材料之一。但是与蚕不同，不能繁殖蜘蛛来生产有用数量的纤维。包括Buehler和他的合作者在内的各种研究人员都试图替代地制造纯合成丝，但是这些努力尚未产生出可以与天然纤维相媲美的纤维。

取而代之的是，该团队现在已经开发出一种方法，以利用蚕所生产的天然丝绸的最佳品质，同时对其进行加工，使其强度更高，并开辟出天然丝绸永远无法形成的各种新形状和结构。

再生丝纤维的表面图像紫外光下再生的3-D丝纤维垫的照片再生丝纤维的横截面SEM图像在插图中显示出维持的纳米原纤维结构。

该团队说，关键是分解天然丝，但不要太多。也就是说，它们溶解了蚕所形成的茧，不是溶解到物质的分子结构破裂，而是溶解成由微纤维组成的中间形式。这些细小的，螺纹状的组件保留了一些重要的层次结构，这些结构赋予了丝绸力量。

布勒（Buehler）是土木与环境工程系的负责人，他将这种材料的回收与拆毁一座旧砖房进行了比较。但是，不仅仅将房屋砸成一堆瓦砾，还仔细分离了独立的砖块，然后用它们来建造新的结构。他说，“自然界更擅长制造微观结构”，正如他早先的一些研究表明的那样，微观结构是丝绸独特的坚硬，可拉伸特性的原因。“在这种情况下，我们利用了大自然所提供的优势。”

Ling解释说，尽管丝线和织物价格昂贵，但材料的成本主要来自于从茧中解散并织成线的劳动密集型过程，而不是来自蚕茧及其茧的实际生产，而蚕茧及其茧的价格并不昂贵。他说，散装后，未加工的蚕茧的价格仅为每公斤（2.2磅）5美元。

研究人员发现，通过将丝绸分解然后通过一个小孔挤出，他们可以生产出比传统丝绸高两倍的纤维，并达到蜘蛛拖拉丝的刚度。该过程可以为新用途开辟各种可能性。例如，蚕丝是一种天然生物相容性物质，不会在体内产生任何不良反应，因此，这种新材料对于医疗缝合线或新皮肤或其他生物材料生长的脚手架等应用可能是理想的选择。

该方法还使研究人员能够以天然丝绸无法复制的方式塑造材料的形状。例如，它可以制成网眼，管子，比天然丝粗得多的纤维，卷，片和其他形式。“我们对[桑蚕]的制成品不满意，”比勒说。“我们想制造自己的新材料。”

秦说，这种形式可以通过在为丝绸溶液定制的3-D打印系统中使用重构材料来创建。新工艺的一个优点是可以使用传统的制造技术来执行，因此将其按比例放大到商业规模应该不会很困难。只需更改挤出过程的速度，即可根据需要控制纤维的特定属性，包括其刚度和韧性。

这些重构纤维对不同的湿度也非常敏感，可以通过添加另一种材料（例如碳纳米管层）的薄涂层使其导电。这可以使其在各种传感设备中使用，其中覆盖有此类纤维层或网眼的表面可以响应指尖的按压或环境条件的变化。

例如，一种可能的应用可能是由这种纤维制成的床单，Buehler说。这种片材可用于护理机构，通过监测压力来帮助避免褥疮，并在患者处于身体特定部位的压力下躺在同一位置太长时间时自动警告护理人员。他说，这样的应用可以很快地付诸实践，因为生产适用于这种用途的材料没有真正的障碍。

澳大利亚悉尼大学生物化学和分子生物技术教授安东尼·韦斯说：“这是一项巧妙的研究，充分利用了麻省理工学院和塔夫茨实验室的跨学科优势。”他说：“这项技术有可能为新型机织材料和功能性复合材料打下基础，这些材料可以用于各种用途，例如新一代的纺织品和生物传感器。”

该团队还包括博士后李春梅和黄文文，以及塔夫茨大学生物医学工程教授兼主席大卫·卡普兰。这项工作得到了美国国立卫生研究院和国防部的支持。

出版物：Lingshengjie等，“通过生物启发纺丝组装的多态再生丝纤维”，《自然通讯》第8期，文章编号：1387（2017）doi：10.1038 / s41467-017-00613-5