重组丝蛋白注入大麻纱的创新制造策略及其在生物复合材料中的应用研究

本综述系统探讨了通过3D打印输注室将重组丝蛋白（A10-4mer）注入大麻纱的创新制造方法及其对生物复合材料性能的增强机制。研究通过扫描电镜（SEM）、衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）及荧光显微技术系统分析了不同浓度丝蛋白（0–0.50 wt%）处理下纱线的形态、结构与力学性能。结果显示，≤0.25 wt%的丝蛋白注入可显著提升拉伸模量与断裂强度，而高浓度则促进韧性与延展性提升，其机制归因于丝蛋白从纤维状结构向涂层结构的转变。本研究为开发高性能、可持续的生物复合纺织材料提供了新策略。

　　

引言

大麻（Cannabis sativa L.）作为一种古老的纺织材料，因其生物可降解性、低环境影响和种植过程中耗水量少而备受关注。大麻纤维具有优异的比力学性能、隔热性、抗菌性、高吸水性、透汽性和抗紫外线能力，被认为是合成纤维的环保替代品。然而，现有加工方法所得的大麻纱多由受损的短纤组成，导致其拉伸强度低、弹性差、表面粗糙、刚性大，限制了其在高档服装和技术纺织品中的应用。因此，研究者致力于通过表面改性和添加剂改善大麻纤维的力学性能。

传统的化学表面处理方法（如碱处理、过氧化氢处理）虽能去除纤维表面的非纤维素成分（如果胶、蜡质、木质素），提高纤维结晶度和力学性能，但也会改变纤维化学组成和结构，降低热稳定性、吸湿性和生物降解性，甚至引入表面缺陷，影响纤维品质和外观。为此，注入高强度生物聚合物（如丝蛋白）成为一种更具可持续性的替代方案。

蜘蛛牵引丝主要由蛛丝蛋白（spidroins）构成，具有高韧性、高延展性和高强度，其力学性能堪比钢材和尼龙，韧性甚至超过凯夫拉纤维。蛛丝蛋白是一种线性共聚物，包含疏水和亲水片段，其中疏水片段形成β-折叠纳米晶体结构，赋予蛋白质刚性和强度，而亲水片段则形成无定形基质，贡献延展性和韧性。然而，直接从蜘蛛获取丝蛋白因蜘蛛的互食性而难以实现规模化生产。近年来，重组技术已成功开发出模拟天然蛛丝蛋白的重组蛋白，如本研究所用的A10-4mer，它是一种模仿Nephila clavipes蜘蛛主要壶腹丝蛋白2（MaSp2）结构域的重组蛋白，分子量为15.6 kDa。

尽管重组丝蛋白的大规模生产仍面临经济性挑战，但通过溶液注入方式将少量丝蛋白引入大麻纤维，并在最小化蛋白质损失的系统中实施，提供了一种新的制造途径。本研究采用一种新型3D打印输注室，通过流动注入工艺将重组丝蛋白A10-4mer注入大麻纱，旨在通过剪切诱导自assembly机制改善纱线的力学性能。

材料与方法

蛋白质合成：A10-4mer重组丝蛋白通过大肠杆菌（E. coli SoluBL21-pLysS）表达系统在LB培养基中培养，经异丙基-β-d-硫代半乳糖苷（IPTG）诱导表达。细胞通过离心收集，经高压灭菌裂解后，纯化蛋白溶液通过冻干获得。蛋白质纯度通过SDS-PAGE评估，平均为76%。同时，研究还使用了家蚕（Bombyx mori）丝素蛋白作为对比。

纱线制备：采用双股8/2大麻纱，线性密度为147.5 Tex。丝蛋白溶液浓度为0.125、0.25和0.50 wt%。输注室通过立体光刻（SLA）技术打印而成，设计包含三个区域：区域I为锥形入口，用于减少纱线磨损；区域II为球形腔室，用于控制丝蛋白溶液注入；区域III为锥形出口，用于增加剪切应变并促进β-折叠形成。注入过程中，丝蛋白溶液以0.5 mL/min的速率注入，纱线以2.74 m/min的速度通过输注室，随后在80°C下干燥20分钟。

表征方法：采用场发射扫描电镜（FESEM）观察纱线形态；通过衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析蛋白质二级结构，并对酰胺I带（1600–1700 cm^?1）进行多峰解卷积，以定量β-折叠、无规卷曲/α-螺旋和β-转角含量；通过荧光显微镜观察FITC标记的丝蛋白在纱线中的分布和持久性；通过计算流体动力学（CFD）模拟输注室锥形区的剪切速率分布。

力学性能测试：使用Instron 3345万能试验机进行拉伸测试，应变速率为1.0 mm/min，样品长度为150 mm。测试参数包括拉伸模量（E）、断裂强度（B）、断裂韧性（U_T）和断裂伸长率（ε_b）。

实验结果

表面形态：FESEM结果显示，对照组大麻纱表面光滑，而注入0.25 wt% A10-4mer丝蛋白的纱线表面出现纤维状涂层。当浓度增至0.50 wt%时，涂层变得更厚，覆盖更均匀。

水洗性能：荧光显微镜显示，0.25 wt%丝蛋白注入的纱线在经过5分钟和30分钟水洗后，仍保留明显的绿色荧光，表明丝蛋白在纱线内部持久存在，且主要通过物理约束和界面粘附实现保留。

二级结构分析：ATR-FTIR结果表明，0.25 wt%注入浓度下，丝蛋白的β-折叠含量为24%，无规卷曲/α-螺旋为53%，β-转角为23%。当浓度增至0.50 wt%时，β-折叠含量略降至19.5%，β-转角增至34.5%，表明高浓度下蛋白质结构发生了一定变化。

力学性能：对照组大麻纱的拉伸模量、断裂强度、断裂韧性和断裂伸长率分别为8.63 GPa、17.24 cN/Tex、1.61 J/g和2.8%。注入0.25 wt%丝蛋白后，拉伸模量和断裂强度分别提高至13.69 GPa和22.52 cN/Tex，增幅达27%和31%。然而，当浓度增至0.50 wt%时，这两项指标下降，但断裂韧性和断裂伸长率分别增至2.69 J/g和3.9%，较对照组提高67%和39%。相比之下，家蚕丝蛋白注入的纱线力学性能普遍低于对照组，且经甲醇处理后仍不及A10-4mer注入样品。

讨论

本研究通过新型输注室实现了重组丝蛋白在大麻纱中的高效注入，并系统评估了其形态、结构和力学性能的变化。FESEM和ATR-FTIR结果证实丝蛋白成功附着于纤维表面和内部，荧光显微镜进一步表明丝蛋白在纱线内部持久存在，即使经过水洗也未被完全去除。CFD模拟显示，输注室锥形出口处的剪切速率高达1720 s^?1，这种剪切条件促进了丝蛋白分子链的排列和β-折叠的形成，从而增强了其结构稳定性和抗溶性。

在0.25 wt%注入浓度下，丝蛋白有效分布在纤维之间，起到粘合剂作用，显著提升了纱线的拉伸模量和断裂强度。β-折叠含量的增加（24%）进一步强化了这一效果。然而，当浓度增至0.50 wt%时，丝蛋白形成较厚的涂层，反而阻碍了纤维间的相互作用，导致力学强度下降，但韧性和延展性得到提升。FESEM和荧光图像显示，高浓度样品在拉伸失败后呈现更明显的纤维分离和涂层结构，与力学数据一致。

与家蚕丝蛋白相比，A10-4mer重组丝蛋白表现出更优的增强效果，且无需甲醇处理即可实现性能提升，这表明其具有更好的自assembly能力和界面相容性。

结论

本研究开发了一种通过流动注入工艺将重组丝蛋白A10-4mer引入大麻纱的创新方法，显著提升了纱线的力学性能和结构稳定性。在0.25 wt%注入浓度下，拉伸模量和断裂强度分别提高27%和31%，而高浓度（0.50 wt%）则显著增强韧性和延展性。CFD模拟和结构表征表明，剪切诱导的β-折叠形成和蛋白质在纤维间的有效分布是性能提升的关键机制。

未来研究将聚焦于优化重组丝蛋白的氨基酸序列，以增强其与纤维素纤维的界面结合；改进输注室设计和工艺参数，进一步提升力学性能；并探索增强大麻纤维在合成树脂和生物树脂基复合材料中的应用潜力。本研究为开发高性能、可持续的生物复合材料和纺织品提供了一条创新且可扩展的途径。