家蚕强制卷取揭示自然纺丝速度下机械性能最优的丝纤维

本研究通过强制卷取技术系统探究了家蚕(Bombyx mori)纺丝速度(10-60 mm/s)对丝纤维机械性能的影响，发现自然纺速(10 mm/s)下丝纤维韧性(toughness)最佳，分子取向度(molecular alignment)与延展性(ductility)呈速度依赖性变化。该研究为阐明家蚕天然纺丝机制提供了关键数据，对仿生合成高性能人工丝纤维具有重要指导意义。

　　

在生物材料领域，蚕丝因其卓越的机械性能和生物相容性备受关注。然而，家蚕(Bombyx mori)在人工饲养环境下形成的丝纤维与野生蚕种存在显著差异，其天然纺丝机制尚未完全阐明。更关键的是，现有研究表明人工纺丝条件难以复现天然丝的结晶结构和分子取向，导致再生丝(recombinant silk)机械性能不足。这一瓶颈严重制约了高性能仿生丝材料的开发。

针对这一科学难题，来自日本的研究团队在《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》发表重要成果。研究采用非麻醉状态下的强制卷取(forced reeling)技术，首次系统比较了不同卷取速度(10-60 mm/s)对家蚕丝纤维结构-功能关系的影响。通过同步辐射广角/小角X射线散射(WAXS/SAXS)等先进表征手段，发现自然纺速(10 mm/s)下丝纤维展现出最优韧性(214 MJ/m³
)，其β-折叠晶体(β-sheet)含量与分子取向度达到最佳平衡。当速度超过60 mm/s时，虽然分子取向参数(alignment parameter)提升17%，但延展性骤降43%，导致韧性劣化。这一发现为优化人工纺丝工艺提供了定量参考。

关键技术包括：1) 使用特制卷取装置(JPE Corp)实现10-60 mm/s精确调速；2) 第五龄家蚕幼虫活体取样；3) 力学测试结合X射线衍射分析晶体结构；4) 通过扫描电镜观察纤维形貌。

【Reeling of silkworm silk】
建立标准化取样流程，证实低于10 mm/s时家蚕会自主切断丝纤维，而野生蚕种可适应更宽速度范围，揭示家蚕对纺速变化的敏感性。

【Tensile properties】
力学测试显示：10 mm/s时断裂伸长率达18.5%，60 mm/s时降至10.6%；但杨氏模量(Young's modulus)从7.1 GPa增至9.8 GPa，证实速度-性能的权衡关系(trade-off)。

【Discussion】
提出"分子拉伸-松弛"动态平衡模型：低速时充分松弛形成更多β-折叠，高速时剪切力(shear force)诱导分子取向但阻碍结晶完善。这一机制解释为何自然纺速能实现性能优化。

【Conclusions】
研究首次定量揭示家蚕丝纤维性能与纺速的非线性关系，为仿生纺丝提供三点启示：1) 应模拟自然纺速的力学环境；2) 需平衡分子取向与结晶动力学；3) 家蚕品系改良需关注纺速适应性。该成果不仅深化了对生物纺丝机制的理解，更为设计"速度响应型"人工纺丝设备提供了理论依据。