东华大学张耀鹏教授、范苏娜副教授《Chin. Phys. B》：具有良好压电输出性能的丝素蛋白纤维
周围神经系统对人体生理功能和活动的调节起主导作用，一旦遭受损伤，则会严重影响人体其他部位的机能，因而采用具有自供电功能的组织工程支架对其进行修复具有重要的临床意义和科学价值。丝素蛋白（Silk Fibroin，SF）不仅具有可调节的水溶性、优异的生物相容性和生物降解性，而且具有剪切压电和纵向压电特性，是构建可植入的生物压电支架的理想材料。
近日，东华大学纤维材料改性国家重点实验室张耀鹏、范苏娜团队报道了一种基于SF的干纺压电纤维。利用SF固有的压电特性，通过后处理调控β-折叠含量来实现压电性能的提升。基于此SF压电纤维的发电机最大电学输出可达27 V，且可应用于人体手指关节弯曲运动的检测以及促进PC-12细胞生长。在生物传感以及神经修复领域具备良好的应用潜力。相关研究成果以题为"Piezoelectric fibers based on silk fibroin with excellent output performance"发表于Chinese physics B。论文第一作者为东华大学硕士甄文强，共同通讯作者为东华大学张耀鹏教授和范苏娜副教授。
摘要图：SF纤维压电刺激细胞生长示意图
详细内容
SF基压电纤维的制备
纯SF基干纺压电纤维：基于纯 SF-氯化钙（Calcium chloride，CaCl2）-甲酸（Formic acid，FA）纺丝液体系，采用干法纺丝技术制备了纯SF压电纤维。所有纺丝液均表现出剪切变稀的特性，初生SF纤维表面出现轴向裂纹，后处理后裂纹扩大为沟槽结构，如图1所示。
图1（a）纤维制备流程图；（b）纺丝液流变性能图；（c）SF纤维表面形貌图
SF纤维结构调控
通过调节钙离子与SF浓度，结合拉伸和乙醇处理，调控SF的凝聚态结构，实现了SF纤维β-折叠含量以及结晶度的提升，水分子渗透到SF分子链间使其发生溶胀，随后乙醇分子逐渐扩散到SF分子链之间，诱导其发生重排与结晶。同时，SF在拉伸作用下，进一步诱导链段排列整齐，促进结晶结构的形成，如图2所示。
图2（a）后处理SF压电纤维红外表征；（b）后处理SF压电纤维XRD表征；（c）后处理过程SF压电纤维内部结构转变示意图
SF纤维电学性能测试
经后处理后，所得后处理SF纤维的压电系数d33最高为3.24 pm/V，最大输出电压可达27 V，较初生SF纤维有明显性能提升，如图3所示。
图3（a）初生SF压电纤维输出电压；（b）后处理SF压电纤维输出电压；（c）后处理SF压电纤维d33大小；（d-f）后处理SF压电纤维的蝴蝶曲线
SF纤维压电灵敏性测试及应用
SF压电纤维可灵敏响应外力作用，压电输出电压随外力幅值的增加而增加，最高可15 V，并可用于灵敏监测手指弯曲运动，如图4所示。
图4（a，b）初生及后处理SF压电纤维灵敏性测试；（c，d）基于初生及后处理SF压电纤维的手指弯曲传感器
SF纤维对PC-12细胞增殖的影响
为了验证SF纤维的压电性能对细胞增殖的影响，将PC-12细胞培养在p-30%SF-15%CaCl2 SF纤维上。结果显示，细胞活力随着时间的推移逐渐增加，表明压电SF纤维具有良好的生物相容性，如图5所示。
图5 PC-12细胞活力测试
SF纤维对PC-12细胞分化的影响
PC-12细胞倾向于沿纤维轴向进行生长，且超声刺激下可诱导PC-12细胞生长出更长的细胞突起。由上可知，利用SF纤维优异的生物相容性和压电效应可促进神经细胞的生长，有望用于神经修复，如图6所示。
图6 PC-12生长情况图：（a-c）无刺激；（d-f）超声刺激；（a，d）第一天；（b，e）第三天；（c，f）第五天
上述结果证实：通过干法纺丝制备出了具有优异压电性能的SF纤维，并证实了高β-折叠含量有利于提高压电输出。经过后处理的SF纤维最大输出电压达到了27 V。此外，SF压电纤维具有良好的压电灵敏度，可检测到手指的轻微弯曲动作，且在超声刺激下SF压电纤维促进了PC-12细胞的增殖和生长。这表明未来自供电组织工程支架的应用潜力巨大。
此工作得到了国家自然科学基金、上海市科委青年科技启明星项目和基础研究项目、上海市优秀学术带头人项目等项目的资助。特别感谢岛津公司刘仁威博士FTIR表征方面提供的帮助。
