蚕丝的性能和生物材料学研究

　　蚕丝不仅是纺织丝绸的纤维原料，同时也是一种极好的生物材料。近年来，蚕丝纤维性能的改造及丝蛋白在生物医学领域的应用研究受到了越来越多的关注。

　　6月29日下午，复旦大学江湾校区的先进材料实验室里，生物谷通讯员就蚕丝以及丝蛋白在生物材料学领域的研究概况和生物医学上的应用前景对邵正中教授进行了访谈。

　　邵正中是我国著名的高分子科学家，他及其带领的团队对包括蚕丝和蜘蛛丝在内的动物丝及丝蛋白的结构、力学性能以及纺丝进行了深入而广泛的研究，其研究成果发表在Nature、Nature Materials、Advanced Materials、Advanced Functional Materials等一流国际期刊上，并获得教育部提名国家科学技术奖自然科学奖一等奖(2004)、教育部长江学者奖励计划特聘教授(2006)、上海市自然科学牡丹奖(2006)和上海市科学技术奖(自然科学)一等奖(2011)等荣誉，并获得国家杰出青年科学基金的资助(2005)。

　　与蚕丝结缘

　　1991年，邵正中在复旦大学高分子化学与物理专业获得博士学位，主要从事高分子科学的研究。对于为什么会选择蚕丝作为研究对象，邵正中表示：“选择蚕丝作为研究对象实际上在博士生期间就已经开始了。因为蚕丝是一种蛋白纤维，由于蛋白质是氨基酸与氨基酸通过肽键连接起来形成的分子量巨大的生物大分子，符合化学科学中高分子的标准，属天然高分子。高分子科学与生命科学的交叉研究是一种趋势，蚕丝材料的获得非常容易，并且蚕丝业在中国又是一个重要的产业，在导师于同隐教授的鼓励和指导下，我选择了将蚕丝及丝蛋白作为一种高分子材料来研究。”

　　蚕丝的纤维性能与家蚕吐丝的行为有关

　　2002年，邵正中发现蚕丝的力学性能受到家蚕吐丝行为的影响，当蚕丝连续不断地以4mm/S的速度被抽出来，其延展性略高于蜘蛛丝，当将蚕丝以13mm/S的速度抽出时，其断裂能接近与于蜘蛛丝。该研究成果发表在Nature杂志上。针对蚕丝的力学性能与家蚕吐丝行为有关的问题，邵正中对此解释道：“从纤维的特点方面看，蚕丝和蜘蛛丝并没有本质的区别，都是一种蛋白纤维。蚕丝和蜘蛛丝纤维特性的差异主要是由纤维蛋白的二级结构或二级以上的结构差异造成的，而这种结构差异主要是由于家蚕和蜘蛛宏观吐丝行为的不同造成的。”

　　邵正中继续说道，“首先要弄明白的一点是无论蚕丝还是蜘蛛丝，其实是抽出来的，而不是吐出来的，了解了这一点对于理解蚕丝和蜘蛛丝的纤维差异与吐丝行为有关就变得非常容易。蜘蛛主腺体丝是在蜘蛛牵引的作用下连续不断的从丝腺中抽出来的，而蚕丝表面具有一层丝胶，丝胶具有黏性，家蚕通过头部八字形运动将蚕丝先固定在一点，然后把蚕丝从丝腺中抽出来粘在另外一点，如此反复运动从而结成圆形的茧。由于家蚕头部运动方向和速度的变化，造成蚕丝纤维在粘结点位置的分子聚集态的不均一性。这一粘结点位置有可能成为蚕丝纤维中最脆弱的点，并且一根长纤维的蚕丝上具有无数个这样的点，这是影响天然蚕丝纤维性能最重要的原因。”然后，邵正中补充道：“蚕丝被抽出来的速度差异影响到蚕丝蛋白的分子取向排列，从而造成不同的吐丝速度形成的蚕丝纤维性能不同。”

　　针对这一有趣的现象，生物谷通讯员向邵正中提出：“依据这一原理，能否设计一种方法用于改进生产中蚕丝的质量？”邵正中回答道：“理论上可行，但是实际中却有很多困难。家蚕幼虫的身体很软，头部的活动性很强，家蚕头部在摆动的过程中，稍不注意就会把蚕丝弄断。我们曾经试验了很多方法，抽出来最长的蚕丝没有超过两米。因此，要想连续不断地以特定的速度将蚕丝从家蚕的吐丝器中抽出来几乎行不通。”生物谷通讯员继续提问道：“全世界有上千种家蚕品系，是否可以从行为学的角度筛选或繁育出能够生产高质量蚕丝的品系呢？”邵正中点点头，“或许可以，不同的家蚕品系之间由于体格或者行为的差异很可能影响到蚕丝最终的质量。”

　　对于提高蚕丝质量的研究，邵正中提出：“由于蚕丝是一种蛋白纤维，相对于其它纤维，具有容易降解的特性。利用分子生物学和遗传学的方法将蚕丝纤维蛋白的一级结构进行修饰，或许能促进蚕丝纤维的稳定性，从而使蚕丝制品能够达到耐光、耐水的目的。”

　　蚕丝蛋白越来越多的运用于生物医学中

　　近几年来，以蚕丝蛋白作为生物材料应用到生物医学中的研究不断在高水平的国际期刊报道出来。邵正中对此说道：“由于蚕丝蛋白的来源简单、纯度高并具有良好的生物相容性，越来越多的研究人员尝试使用蚕丝蛋白代替常规的生物医学材料如胶原蛋白等。蚕丝蛋白能够作为组织工程中提供干细胞生长的支架材料，也能够应用于骨再生的支撑材料。蚕丝蛋白也能够做成微球和生物黏合剂，分别用于药物分散的载体和手术创伤的缝合。”最后，邵正中说：“目前，蚕丝蛋白作为生物医学材料在临床上使用还面临许多的困难，但是经过科研人员的不断努力，蚕丝蛋白必将成为生物医学中广泛使用的生物材料。”