蠶絲的性能和生物材料學(xué)研究
與蠶絲結(jié)緣1991年,邵正中在復(fù)旦大學(xué)高分子化學(xué)與物理專業(yè)獲得博士學(xué)位,主要從事高分子科學(xué)的研究。對(duì)于為什么會(huì)選擇蠶絲作為研究對(duì)象,邵正中表示:“選擇蠶絲作為研究對(duì)象實(shí)際上在博士生期間就已經(jīng)開(kāi)始了。因?yàn)樾Q絲是一種蛋白纖維,由于蛋白質(zhì)是氨基酸與氨基酸通過(guò)肽鍵連接起來(lái)形成的分子量巨大的生物大分子,符合化學(xué)科學(xué)中高分子的標(biāo)準(zhǔn),屬天然高分子。高分子科學(xué)與生命科學(xué)的交叉研究是一種趨勢(shì),蠶絲材料的獲得非常容易,并且蠶絲業(yè)在中國(guó)又是一個(gè)重要的產(chǎn)業(yè),在導(dǎo)師于同隱教授的鼓勵(lì)和指導(dǎo)下,我選擇了將蠶絲及絲蛋白作為一種高分子材料來(lái)研究。”
蠶絲的纖維性能與家蠶吐絲的行為有關(guān)2002年,邵正中發(fā)現(xiàn)蠶絲的力學(xué)性能受到家蠶吐絲行為的影響,當(dāng)蠶絲連續(xù)不斷地以4mm/S的速度被抽出來(lái),其延展性略高于蜘蛛絲,當(dāng)將蠶絲以13mm/S的速度抽出時(shí),其斷裂能接近與于蜘蛛絲。該研究成果發(fā)表在Nature雜志上。針對(duì)蠶絲的力學(xué)性能與家蠶吐絲行為有關(guān)的問(wèn)題,邵正中對(duì)此解釋道:“從纖維的特點(diǎn)方面看,蠶絲和蜘蛛絲并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別,都是一種蛋白纖維。蠶絲和蜘蛛絲纖維特性的差異主要是由纖維蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)或二級(jí)以上的結(jié)構(gòu)差異造成的,而這種結(jié)構(gòu)差異主要是由于家蠶和蜘蛛宏觀吐絲行為的不同造成的。”
邵正中繼續(xù)說(shuō)道,“首先要弄明白的一點(diǎn)是無(wú)論蠶絲還是蜘蛛絲,其實(shí)是抽出來(lái)的,而不是吐出來(lái)的,了解了這一點(diǎn)對(duì)于理解蠶絲和蜘蛛絲的纖維差異與吐絲行為有關(guān)就變得非常容易。蜘蛛主腺體絲是在蜘蛛牽引的作用下連續(xù)不斷的從絲腺中抽出來(lái)的,而蠶絲表面具有一層絲膠,絲膠具有黏性,家蠶通過(guò)頭部八字形運(yùn)動(dòng)將蠶絲先固定在一點(diǎn),然后把蠶絲從絲腺中抽出來(lái)粘在另外一點(diǎn),如此反復(fù)運(yùn)動(dòng)從而結(jié)成圓形的繭。由于家蠶頭部運(yùn)動(dòng)方向和速度的變化,造成蠶絲纖維在粘結(jié)點(diǎn)位置的分子聚集態(tài)的不均一性。這一粘結(jié)點(diǎn)位置有可能成為蠶絲纖維中zui脆弱的點(diǎn),并且一根長(zhǎng)纖維的蠶絲上具有無(wú)數(shù)個(gè)這樣的點(diǎn),這是影響天然蠶絲纖維性能zui重要的原因。”然后,邵正中補(bǔ)充道:“蠶絲被抽出來(lái)的速度差異影響到蠶絲蛋白的分子取向排列,從而造成不同的吐絲速度形成的蠶絲纖維性能不同。”
針對(duì)這一有趣的現(xiàn)象,生物谷通訊員向邵正中提出:“依據(jù)這一原理,能否設(shè)計(jì)一種方法用于改進(jìn)生產(chǎn)中蠶絲的質(zhì)量?”邵正中回答道:“理論上可行,但是實(shí)際中卻有很多困難。家蠶幼蟲(chóng)的身體很軟,頭部的活動(dòng)性很強(qiáng),家蠶頭部在擺動(dòng)的過(guò)程中,稍不注意就會(huì)把蠶絲弄斷。我們?cè)?jīng)試驗(yàn)了很多方法,抽出來(lái)zui長(zhǎng)的蠶絲沒(méi)有超過(guò)兩米。因此,要想連續(xù)不斷地以特定的速度將蠶絲從家蠶的吐絲器中抽出來(lái)幾乎行不通。”生物谷通訊員繼續(xù)提問(wèn)道:“*有上千種家蠶品系,是否可以從行為學(xué)的角度篩選或繁育出能夠生產(chǎn)高質(zhì)量蠶絲的品系呢?”邵正中點(diǎn)點(diǎn)頭,“或許可以,不同的家蠶品系之間由于體格或者行為的差異很可能影響到蠶絲zui終的質(zhì)量。”對(duì)于提高蠶絲質(zhì)量的研究,邵正中提出:“由于蠶絲是一種蛋白纖維,相對(duì)于其它纖維,具有容易降解的特性。利用分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的方法將蠶絲纖維蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾,或許能促進(jìn)蠶絲纖維的穩(wěn)定性,從而使蠶絲制品能夠達(dá)到耐光、耐水的目的。”
蠶絲蛋白越來(lái)越多的運(yùn)用于生物醫(yī)學(xué)中近幾年來(lái),以蠶絲蛋白作為生物材料應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)中的研究不斷在高水平的期刊報(bào)道出來(lái)。邵正中對(duì)此說(shuō)道:“由于蠶絲蛋白的來(lái)源簡(jiǎn)單、純度高并具有良好的生物相容性,越來(lái)越多的研究人員嘗試使用蠶絲蛋白代替常規(guī)的生物醫(yī)學(xué)材料如膠原蛋白等。蠶絲蛋白能夠作為組織工程中提供干細(xì)胞生長(zhǎng)的支架材料,也能夠應(yīng)用于骨再生的支撐材料。蠶絲蛋白也能夠做成微球和生物黏合劑,分別用于藥物分散的載體和手術(shù)創(chuàng)傷的縫合。”zui后,邵正中說(shuō):“目前,蠶絲蛋白作為生物醫(yī)學(xué)材料在臨床上使用還面臨許多的困難,但是經(jīng)過(guò)科研人員的不斷努力,蠶絲蛋白必將成為生物醫(yī)學(xué)中廣泛使用的生物材料。”