光纤具有体积小、成本低、效率高等优点，在光信号和能量传输领域有广泛应用，在光热治疗领域也有巨大应用潜力。由于多数常规光波导介质缺乏生物相容性和生物降解性，在生物组织应用中受到限制。丝素蛋白是一种力学性能优异、生物相容性好、环境友好的天然高分子材料，广泛应用于生物医药等领域。
东华大学纤维材料改性国家重点实验室张耀鹏教授团队以添加了纤维素纳米纤维（CNF）的再生丝素蛋白（RSF）水溶液作为纺丝液，利用微流体湿法纺丝技术，制备了低损耗、高强度、高声速、可编织的生物光纤。结果表明，RSF/CNF光纤的光损耗最低可达1.0 dB/cm，低于绝大部分生物光纤，断裂强度最高可达785 MPa，声速可达3.0 km/s，同时该光纤兼具良好的生物相容性、可降解性和可编织性。
相关研究成果以题为Low-loss Light-guiding, StrongSilk Generated by a Bioinspired Microfluidic Chip发表在《化学工程杂志》（Chem.Eng. J. 2020，405，126793）。论文第一作者为东华大学博士研究生鲁丽，共同通讯作者为张耀鹏教授和范苏娜讲师。福建工程学院耿立宏教授为共同作者，福建工程学院、福建省高分子材料重点实验室为共同单位。
1．RSF/CNF光纤的制备工艺
图1. 丝素蛋白/纤维素纳米纤维生物光纤的制备
张耀鹏教授团队以添加了纤维素纳米纤维（CNF）的再生丝素蛋白（RSF）水溶液作为纺丝液，通过模拟蜘蛛大囊状腺体的微流体芯片，利用湿法纺丝及连续后拉伸技术，制备了长达数米的生物光纤。
2．RSF/CNF光纤的光损耗、声速与可编织性能
张耀鹏教授团队对RSF/CNF光纤在不同激发光波长下的光损耗进行测试表征（图2A）。结果表明随CNF含量增加RSF/CNF光纤的光损耗降低（图2B），RSF/CNF-7光纤的光损耗已低于大部分商业用生物光纤（图2C），同时该光纤兼具较高的声速（图2D）和可编织性（图2E）。
3．RSF/CNF光纤的力学性能
该团队对RSF/CNF光纤的力学性能进行研究，发现添加CNF可以明显提高RSF/CNF纤维的断裂强度和模量。RSF/CNF-5纤维的平均断裂强度为710.2 MPa，最高可达784.9 MPa，为脱胶丝的3倍（265.2 MPa），RSF纤维的2.6倍（310.3 MPa）。同时，相较于干法纺丝所得RSF/CNF纤维（486 MPa），湿纺RSF/CNF纤维的力学性能有了进一步提高，主要可能因为CNF添加量的有效添加。对比不同纺丝方法所得RSF纤维的力学性能，发现微流体湿法纺纤维的断裂强度已超过天然蚕丝和其它杂化纤维（图3d）。
4．RSF/CNF作用机理
图4. RSF和CNF分子间相互作用机理示意图。
在高浓度RSF溶液中，分子相互缠绕形成缠结网络结构（图4e）。在RSF/CNF纺丝液中，CNF可以与RSF分子形成氢键，使得CNF在RSF网络中分散稳定。其次，钠离子的存在可以屏蔽带正电的CNF表面，并通过疏水作用使CNF聚集（图4f）。
该工作制备的低损耗、高强度、高声速、可编织的丝素蛋白/纤维素纳米纤维生物光纤，兼具有良好的生物相容性、生物可降解性，未来有望应用于光热治疗肿瘤、癌症，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。
近三年来，张耀鹏教授团队基于再生丝素蛋白材料，开发了系列蚕丝功能材料，在蚕丝纳米丝带及全生物摩擦发电机（Nano Energy, 2020, 104837; ACS Nano. 2018, 12, 11860）、3D生物打印（Carbohyd. Polym., 2019, 221, 146）、静电纺组织工程支架（ACS Biomater. Sci. Eng., 2020,3154,；Carbon,2019, 148, 16; Eur. Polym. J., 2019, 04, 056; Front. Bioeng. Biotechnol., 2019,7, 190）、生物水凝胶（ACS Appl. Bio. Mater., 2019, 2, 3, 1158）、添食育蚕（Compos. Commun., 2020,; Nano-Macro Letters, 2019,; ACS Biomater.Sci. Eng., 2018, 412, 4021）、仿生纺丝（Chem. Eng. J. 2020,; ACSSustain. Chem. Eng., 2019）、导电丝素蛋白膜（ACS Appl. Mater.Interfaces, 2018, 10, 35547）等方向取得了系列研究成果，形成了多项发明专利。
上述工作获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央高校基础科研业务费、上海市先进纤维与低维材料“一带一路”国际联合实验室等经费支持。
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894720329211
