蜘蛛和蚕以水为溶剂，在常温常压下就可制备出力学性能优异的蛋白质纤维，这比绝大多数合成高分子的成丝方法简单高效。在蜘蛛和蚕的体内，当蛋白质溶液流经尺寸收缩的S形导管时，蛋白质分子会受到剪切拉伸而发生相转变或自组装，最终在常温常压下固化成不溶于水的纤维。微流控纺丝是模拟蚕和蜘蛛天然纺丝方法中最常用的方法之一。然而微流体通道尺寸、流动条件对纺丝过程中丝素蛋白取向结构的影响尚不清楚，因而限制了高性能人造蜘蛛丝的制备。
图1. 利用SAXS技术研究模拟蜘蛛大囊状腺体的仿生微流体芯片示意图
东华大学纤维材料改性国家重点实验室张耀鹏教授团队，模拟蜘蛛大囊状腺体形状尺寸设计制备了仿生微流体芯片，利用上海光源同步辐射X射线小角散射（SR-SAXS）及有限元分析模拟（FEMs）技术，探究了仿生微流体芯片对再生丝素蛋白/纤维素纳米纤维（RSF/CNF）混合液取向结构、有序度的影响。结果表明，微通道可以使流经其中的RSF/CNF混合液结构更加规整，有序参数由0.1增大至0.36；随CNF含量增加，RSF/CNF混合液的有序参数增大，但过量（7 wt%）CNF使得有序参数略微下降。微通道的剪切拉伸力是RSF/CNF混合液结构规整的主要原因。随流速增大，RSF/CNF混合液有序参数、剪切速率、拉伸速率增大，但过高的速度（30 μL/min）使得有序参数略微下降。上述结果对微流控仿生纺丝技术的进一步发展提供了理论支撑。
相关研究成果以题为Flow Analysis of Regenerated SilkFibroin/Cellulose Nanofiber Suspensions via a Bioinspired Microfluidic Chip发表在国际著名化学材料专业期刊《先进材料技术》（Adv. Mater. Technol.）。论文第一作者为东华大学鲁丽博士，共同通讯作者为东华大学姚响副教授。东华大学范苏娜助理研究员、中国科学院上海应用物理研究所林金友博士、福建工程学院耿立宏教授为共同作者。该工作获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、上海市优秀学术带头人、上海市自然科学基金等经费的支持。
图2. RSF/CNF混合液在微通道不同位置的取向结构
图3. 利用FEMs模拟RSF溶液在微通道中的速度、压力、
剪切速率、拉伸速率分布
图4. RSF和CNF分子间相互作用机理示意图
近三年来，张耀鹏教授团队基于再生丝素蛋白材料，设计构筑单元、功能基元，制备了系列丝素蛋白功能材料。在蚕丝多级结构模型（Nano Energy, 2020, 104837; ACS Nano, 2018, 12, 11860）、生物摩擦纳米发电机（J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 25323-25335）、3D生物打印（Compos. Sci. Technol., 2021, 213, 108902; Cellulose, 2021, 28, 241-257; Carbohyd. Polym., 2019, 221, 146）、静电纺生物支架（J. Mater. Chem. B, 2021, DOI: 10.1039/d1tb00944c; ACS Biomater. Sci. Eng., 2020, 6, 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, 2019,11,75; ACS Biomater. Sci. Eng., 2018, 412, 4021）、仿生纺丝（Chem. Eng. J. 2021, 405, 126793; ACS Sustain. Chem. Eng., 2019）、导电丝素蛋白膜（ACS Biomater. Sci. Eng., 2021; ACS Appl.Mater. Interfaces, 2018, 10, 35547）、导电聚苯胺薄膜（Chem. Eng. J., 2021, 417, 128126）、生物忆阻器（ACS Biomater. Sci. Eng., 2021，DOI: 10.1021/acsbiomaterials.1c00513）等研究方向取得了一系列研究成果。
