荧光蚕丝作为一种新型的生物功能材料，在组织工程、生物成像、智能服装、生物电子等领域展现出巨大的应用前景，但在保持天然蚕丝优异力学性能和生物相容性的前提下，如何采用绿色方法规模化制备原生荧光蚕丝依然有待解决。近期，东华大学纤维材料改性国家重点实验室张耀鹏、邵惠丽教授所领衔的生物质材料成型与加工课题组与北京化工大学王丹、王洁欣教授、山东大学曹成波教授合作，利用荧光性能稳定、生物相容性优异、可在水溶液中稳定分散的纳米碳点改性人工饲料，并用其喂食家蚕，利用家蚕作为生物反应器，将直径约1-5 nm的碳点直接引入丝素蛋白，成功制备了超强韧的原生荧光蚕丝（图1）。相关研究成果以题为Super-strong and Intrinsically Fluorescent Silkworm Silk from Carbon Nanodots Feeding发表在Nano-Micro Letters，范苏娜博士为论文第一作者，硕士生郑小婷为论文共同作者。
图1 纳米碳点助力蚕宝宝吐出超强韧荧光蚕丝
纳米碳点的摄入对家蚕的生长、蚕茧外观以及茧重无不良影响，但可赋予脱胶丝原生的荧光性能，即在405 nm波长激光的激发下可发出稳定均匀的蓝色荧光。同时，进入家蚕丝腺的纳米碳点可利用其自身的官能团与丝素蛋白作用，进而阻碍丝素蛋白由无规卷曲/α-螺旋构象向β-折叠构象转变，导致限制性结晶及微区取向的发生，最终大幅提高蚕丝的力学性能（图2），断裂强度和断裂伸长率高达521.9 ± 82.7 MPa、19.2 ± 4.3%，较未改性蚕丝分别提高了55.1% 和53.6%。令人欣喜的是，该高强度荧光蚕丝保有了天然蚕丝优异的生物相容性，有望用于生物成像、支架示踪等多种生物医学应用（图3）。
图2（a）家蚕喂食纳米碳点后，其腺体和蚕丝具有荧光特性；（b）蚕丝力学增强机理
图3 高强韧荧光蚕丝应用于细胞培养及生物成像
（a）细胞在蚕丝支架上的培养示意图；（b）蚕丝支架的细胞相容性表征；（c-d）雪旺细胞在蚕丝支架上的生长形态
采用上述添食育蚕法制备高强韧荧光蚕丝不仅绿色环保，而且易于产业化推广，为拓展多功能荧光蚕丝的应用奠定了基础。该工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市先进纤维与低维材料“一带一路”国际联合实验室等项目资助。
该课题组在喂食法制备多功能蚕丝方面拥有多项中国发明专利，2015年通过对家蚕喂食含二氧化钛纳米粒子的人工饲料，成功制备了力学性能显著增强且抗紫外能力明显改善的天然蚕丝（全文链接），并被美国《化学化工新闻》（Chemical & Engineering News）等媒体报道（报道链接）。2018年通过对家蚕喂食稀土上转换荧光粉，成功制备了绿色荧光蚕丝（全文链接），并被《新民晚报》等媒体报道（“蚕宝宝在上海吐出创新丝”报道链接）。
Suna Fan, Xiaoting Zheng, Qi Zhan, Huihui Zhang, Huili Shao, Jiexin Wang, Chengbo Cao*, Meifang Zhu, Dan Wang*, Yaopeng Zhang* , Super-strong and Intrinsically Fluorescent Silkworm Silk from Carbon Nanodots Feeding, Nano-Micro Lett., 2019, 11:75DOI: 10.1007/s40820-019-0303-z
