基于多功能微流体芯片的动物丝蛋白的聚集态结构调控及仿生纺丝

Spider and silkworm produce strong and tough animal silks in air by means of dynamic adjustments of compositions and structures of the spinning dopes in their microfluidic spinning apparatus. The biomimetic spinning of high-performance animal silks is the current research focus with obvious bottleneck, while understanding the aggregation mechanism of animal silk protein during flow is one of the most important triggers for fiber processing. Microfluidic technology might be a perfect candidate to mimic the flow conditions and the multi-functions of the spinning apparatus of spider and silkworm. However, the current biomimetic microchips with simple channels perform single functions. Base on previous research, four functions of the natural spinning apparatus are integrated in a microfluidic chip in this study, such as ion adjustment, shear and elongation, protein concentration and fiber spinning. The bio-inspired microfluidic spinning apparatus is used to construct a complex flow field for regenerated silk fibroin (RSF) aqueous solutions. The aggregation mechanism and the conformation transition of RSF in the complex filed are investigated. By using a dry spinning process like those of silkworm and spider, the multifunctional microfluidic chip is applied to spin RSF fibers with expected mechanical properties exceeding those of natural silkworm silks. Determining the structure-property relationship of super strong, tough RSF fibers would be a significant advancement in the processing of high-performance artificial spider silk.

蜘蛛和蚕利用类似于微流体通道的纺丝管动态调控纺丝液的组成和结构，进而在空气中制得高强高韧的动物丝。高性能动物丝的仿生纺丝是当前研究的热点和难点，了解动物丝蛋白在流动过程中的聚集态结构演化机理是制备高性能动物丝的关键问题之一。微流体技术可实现动物丝蛋白组装所需要的各种条件，但目前的仿生芯片功能单一，通道结构简单。本研究在前期工作的基础上，拟从模拟蜘蛛和蚕的多功能纺丝系统出发，设计制备具有离子调控、剪切拉伸、蛋白浓缩及纺丝四个功能的集成微流体芯片，验证微流体技术制备仿生微纺丝器的效果，构建再生丝素蛋白（RSF）水溶液的复杂流场，揭示RSF在复杂流场条件下的构象转变及聚集态结构调控机制。采用与蜘蛛和蚕纺丝工艺相似的微流体干法纺丝工艺，制备力学性能超过天然蚕丝的RSF纤维，探索超强韧RSF纤维的结构设计与力学性能调控，为制备力学性能接近或超过天然蜘蛛丝的人造动物丝提供新的思路与方法。

蜘蛛和蚕利用多功能的生物纺丝器精确调控蛋白纺丝液的组成和结构，进而在常温常压下通过干法纺丝制备出力学性能优异的天然动物丝。微流体技术可实现动物丝蛋白组装所需要的多种条件，但目前的仿生芯片功能单一，通道结构简单。本项目从模拟蜘蛛和蚕的多功能纺丝系统出发，设计制备了具有离子调控、剪切拉伸、蛋白浓缩及纺丝功能的集成微流体芯片，并利用该芯片实现了再生丝素蛋白（RSF）水溶液的微流体干法纺丝。研究了剪切场及仿生微通道中RSF的结构变化及聚集组装机理，揭示了RSF水溶液在剪切场中形成液晶态结构的条件。在此基础上，优化了丝素蛋白和重组蜘蛛丝蛋白的微流体干法纺丝方法，制备了高韧性的人造动物丝纤维，其断裂强度达614 MPa，断裂伸长达27%，断裂能达101 kJ/kg，力学性能超过脱胶蚕丝。利用TiO2纳米粒子中多价金属离子和丝素蛋白的纳米受限作用机制，制备了断裂伸长率达80%、断裂能达93.1±27.1 MJ m-3的超韧性人造动物丝。以重组蜘蛛丝蛋白水溶液为纺丝液、钠离子为蛋白稳定剂、仿生微流体芯片为纺丝器，从蜘蛛丝蛋白的序列结构和纺丝过程两方面着手，构建重组蜘蛛丝蛋白纤维的多级结构，制备了最大断裂强度和断裂伸长率分别为510 MPa和15%的人造蜘蛛丝，以较低分子量蛋白（47 kDa）实现了高性能动物丝的构筑。基于多价氧化物添食育蚕法，利用家蚕天然的生物反应器，成功制备了力学性能显著增强（拉伸强度548±33 MPa，断裂伸长率16.7±0.8%）、抗紫外能力明显改善的天然蚕丝。基于人造动物单丝的增强增韧机理，通过后处理调控RSF静电纺纤维毡的凝聚态结构；通过改变纤维收集方式、复合脱细胞基质基底构筑多层有序纤维毡；通过同轴纺丝技术在RSF中序贯搭载生物信号因子，制备了力学性能显著增强、具有生物活性的RSF组织工程支架。该生物可降解支架可与狗的尿道、家兔的膀胱等组织顺利缝合，组织修复重建效果良好。本项目的研究对高性能人造动物丝的制备提供了新的思路和方法，并对基于动物丝蛋白的生物医用材料的开发有重要启示。