纤维材料改性国家重点实验室
在高性能人造动物丝仿生制备方面取得的最新进展
图1. 丝素蛋白/氧化石墨烯杂化纤维的制备
图2. 再生丝素蛋白/氧化石墨烯杂化纤维的(a)纤维表面形貌, (b)二维广角衍射图，(c)拉伸过程中杂化纤维的结构变化的示意图
近日，我校纤维材料改性国家重点实验室，材料学院张耀鹏、邵惠丽教授领衔的生物质材料成型与加工课题组在高性能人造动物丝仿生制备方面有了最新的研究成果。论文以《利用再生丝素蛋白/氧化石墨烯水溶液干法纺丝制备杂化蚕丝纤维》（Hybrid silk fibers dry-spun from regenerated silk fibroin/graphene oxide aqueous solutions）为题被《ACS Applied Materials & Interfaces》（《美国化学会应用材料与界面》）（文章链接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.5b11245）发表。论文共同第一作者为材料学院博士研究生张超和张耀鹏教授。《美国化学会应用材料与界面》为材料科学和工程领域的著名期刊，是SCI一区杂志，其最新影响因子为6.723。
众所周知，蜘蛛和蚕的纺丝是一种以水为溶剂，常温常压下进行的干法纺丝。相比其它纺丝工艺，该课题组发明的毛细管仿生纺丝方法更接近于蜘蛛和蚕的干法纺丝工艺。目前利用这种方法得到的纤维经过一定的后处理之后其力学性能已能达到甚至超过天然蚕丝。
为进一步提高人造蚕丝力学性能，该研究团队以氧化石墨烯（GO）作为增强填充剂，采用干法纺丝的方法对再生丝素蛋白（RSF）和氧化石墨烯（GO）混合水溶液进行纺丝，并经过后处理制备出了力学性能优异的杂化纤维。当GO/RSF质量比为1:1000时，杂化纤维的断裂强度分别比天然脱胶丝和纯的RSF纤维平均提高了23%和72%。同步辐射广角衍射（SR-WAXD）和同步辐射小角散射（SR-SAXS）等结果表明，GO和丝素蛋白之间存在的界面相互作用以及因此形成的中间相结构对纤维力学性能的提高有很大贡献。红外光谱和SR-SAXS结果表明，GO的加入导致了丝素蛋白分子受限结晶，使得β-折叠构象含量的降低，并且在GO表面形成具有一定厚度的界面。SR-WAXD结果表明，随着GO的含量的增加，杂化纤维的结晶度和晶粒尺寸逐渐减小，中间相含量逐渐增加，而纤维中的晶区取向和中间相取向则在GO/RSF质量比为1:1000时达到最大。
此次制备的生物相容性良好的丝素蛋白/氧化石墨烯杂化纤维未来有望应用于组织修复和再生材料、储能和传感材料以及生物电子器件材料等。该研究成果不仅对高性能人造动物丝的制备有指导意义，还对其它合成纤维的高性能化有一定的借鉴意义。
