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【技术】新型丝织品成型纺织术

文章出处:责任编辑:人气:-发表时间:2015-11-30 20:45【



经过多年研究蜘蛛丝的复杂结构和产生过程,研究人员在实验室里已经成功地制备出高强高弹的蜘蛛丝样品。合成的蜘蛛丝材料可以用于各种各样的生物医学领域,如器官移植手术中的缝合线、绷架等。


这一发现发表在《自然通讯》上。作者为麻省理工学院(MIT)土木与环境工程的教授Markus Buehler,博士后Shangchao Lin和SeunghwaRyu等人,涉及德国麻省理工学院,意大利塔夫茨大学和英国波士顿大学。


如图所示为麻省理工学院的研究人员模拟蜘蛛丝制备的纤维材料。上图光学显微镜图像,下图为扫描电子显微镜图像。左图是8微米的纤维,右图是3微米的纤维。


该项研究涉及一系列的组块模拟和实验,为研制优于自然丝织品的新型纤维奠定了基础。土木与环境工程学院的主任Buehler说,纤维的设计应该综合强度、弹性、韧性等特性。


新型合成纤维的蛋白质通常由基因改造的细菌产生。蛋白质通过微流体通道(喷丝头)被挤压,而蜘蛛则生产天然的真丝纤维。

不需要蜘蛛


蜘蛛丝一直被公认为是强度最高的材料,但是蜘蛛产丝量有限。利用这种新方法,可以生产出高强、弹性的纤维,并用于生物医学领域。就其本质而言,蜘蛛丝完全不会引起生物体的排斥反应,用于身体内部最终被人体吸收,没有不良反应的风险。


研究者在“旋转”制备纤维的过程中,将蛋白质溶解在水中,通过一个小开口挤压并进行速度控制,从而制备高强纤维。分子本身是疏水性化合物和亲水性化合物的混合物,以自然对齐的方式形成的纤维要明显强于任一组分。Buehler指出,“当旋转制备纤维时,将在一个方向上形成很强的键。


研究小组发现,将蛋白质进行适当的混合至关重要。麻省理工学院的博士后,现任韩国先进科学和技术研究所助理教授的Ryu说:“我们发现,当蛋白质中疏水蛋白的比例较高时,旋转形成的纤维质量很差。我们必须找到正确的组合蛋白质,以制备高强纤维。”

关闭循环


该项目首次使用模拟模式,在分子水平上制备纤维。模拟的过程十分重要。麻省理工学院的博士后,现任佛罗里达州立大学助理教授的Lin说:“其实合成蛋白质的研究要持续几个月,如果蛋白质没有理想的特性,研究过程就会继续下去。使用模拟过程可以大范围的扫描蛋白质,直到我们看到纤维刚度的变化,然后进一步合成化合物。”


一旦纤维的属性可以直接控制,我们就可以制备出比天然纤维强度更高的纤维材料,工程师在使用时可以选择具有特定属性的材料。作为蜘蛛,需要弹性的蜘蛛丝以便在捕捉昆虫时不破坏蜘蛛网。用作手术缝合线的纤维相比之下,更需要高强和略小的弹性。Buehler说:“研究制备丝,我们别无选择。”


纤维材料的处理可以在水基溶液中室温下进行,因此商业化制备纤维相对较容易。目前为止,该研究室的纤维的强度并没有天然蜘蛛丝高,但是根据现在的研究进展,通过调整材料就可以提高纤维的强度。


Lin说:“我们的目标是借鉴自然之道提高纤维的强度、弹性和韧性。”这项研究可以促进合成纤维部分属性的发展,如纤维的电性能和热性能。


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