基于微流控工程的高強(qiáng)力學(xué)性能蛋白纖維

孫靜，陳靜思，劉凱，曾洪波,*

a Institute of Organic Chemistry, University of Ulm, Ulm 89081, Germany

b Department of Chemical and Materials Engineering, University of Alberta, Edmonton, AB T6G 1H9, Canada

c Department of Chemistry, Tsinghua University, Beijing 100084, China

d State Key Laboratory of Rare Earth Resource Utilization, Changchun Institute of Applied Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130022, China

1. 引言

受蜘蛛絲和蠶絲纖維研究啟發(fā)的蛋白纖維，由于非凡的力學(xué)性能和功能而受到廣泛的關(guān)注[1-7]。正是基于出色的內(nèi)在特征，這些纖維在生物醫(yī)學(xué)、傷口愈合、傳感器、藥物輸送和組織工程方面具有廣闊的應(yīng)用前景[8-12]。因而，各種紡絲技術(shù)已被廣泛用于制備蛋白纖維，包括電紡[13-15]、牽伸紡[16]、濕紡[17]、溶液吹紡[18]和干紡[19,20]。然而，這些人工紡絲與自然紡絲過程存在差異，且對(duì)所紡纖維的長度、直徑和力學(xué)性能的控制較弱[21,22]。由于在紡絲過程中通常使用高濃度的蛋白溶液作為紡絲原液，因此在制備蛋白纖維的過程中必然要經(jīng)過物理凝固過程[23,24]。此外，連續(xù)功能蛋白纖維的大規(guī)模生產(chǎn)仍然受到限制。研究發(fā)現(xiàn)，蜘蛛或蠶的微型紡絲管道可以被視為典型的微流控設(shè)備[25]。因此，微流控技術(shù)已被探索用于工程紡絲，并為以簡易并可控的方式制造蛋白纖維提供了巨大的潛力[26,27]。

近期，微流控技術(shù)作為一種易于執(zhí)行的方法，已被廣泛地研究并應(yīng)用于制造生物纖維（圖1）[28-30]。與其他技術(shù)相比，微流控技術(shù)提供了一個(gè)簡單的平臺(tái)，以可控的方式模仿自然紡絲過程[31]。例如，受生物啟發(fā)，Yu等[32]通過同軸毛細(xì)管微流控裝置開發(fā)了具有可控構(gòu)象的螺旋微纖維，展示出多功能的生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用。此外，微流控技術(shù)的成本效益為大批量連續(xù)微纖維生產(chǎn)提供了簡便策略[33]。在纖維紡絲中使用生物相容性溶劑，促使該技術(shù)在組織工程和藥物輸送研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[34-36]。另外，通過微流控技術(shù)便于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)具有不同形態(tài)和統(tǒng)一尺寸的蛋白纖維。由于通道大小和類型、流速和剪切力的精確可控性，通過設(shè)計(jì)微流控芯片便于制備具有可控形態(tài)和性質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)韌蛋白纖維。

在此，我們對(duì)基于微流控技術(shù)的蛋白纖維制造及其力學(xué)性能的最新進(jìn)展進(jìn)行相關(guān)討論。首先，對(duì)基于微流控技術(shù)開發(fā)的各種蛋白纖維，包括再生蛋白纖維、重組蛋白纖維和其他來源的蛋白纖維進(jìn)行討論；其次，對(duì)每種類型的蛋白纖維的構(gòu)造過程和力學(xué)性能進(jìn)行深入探討，為具有技術(shù)應(yīng)用的人造蛋白纖維的制造提供范例；最后，對(duì)用于蛋白纖維生產(chǎn)的微流控技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行總結(jié)與展望。

2. 蜘蛛絲的自然紡絲過程

在過去的幾十年里，天然蜘蛛絲的非凡力學(xué)性能激發(fā)了研究者對(duì)制造合成纖維的興趣。天然蜘蛛絲是在生理?xiàng)l件（水介質(zhì)、環(huán)境溫度等）下由特殊的紡絲腺體生產(chǎn)，如大安瓿腺、小安瓿腺、鞭毛腺、梨形腺和圓柱形腺體[37]。S形的錐形管道為旋轉(zhuǎn)的涂料提供了額外的剪切力，加強(qiáng)了蛋白分子的取向[38]。此外，由特定細(xì)胞分泌的各種離子，如H+和PO43-促進(jìn)了脫水過程和β片狀結(jié)構(gòu)的形成。鑒于其化學(xué)物理?xiàng)l件，天然蛛絲纖維展現(xiàn)出超強(qiáng)的力學(xué)性能（楊氏模量約為15 GPa，強(qiáng)度約為1.5 GPa，延展性約為40%，韌性約為200 MJ·m-3），通常是凱夫拉爾纖維的三倍，鋼鐵的五倍。

3. 微流控技術(shù)的紡絲過程

與其他紡絲技術(shù)相比，微流控技術(shù)已成為一種非常有應(yīng)用前景的纖維生產(chǎn)方法之一[28]。如表1所示，電紡?fù)ǔＰ枰唠妷汉透呒羟辛?，而熔融紡則需要高溫[40,41]。相比之下，微流控技術(shù)實(shí)施條件溫和，且具有較高的可重復(fù)性和產(chǎn)量能力。此外，微流控技術(shù)可以在微/納米級(jí)別精確控制纖維的形狀、大小和各向異性[42]。通常，微流控裝置由一個(gè)腔室、一個(gè)儲(chǔ)液器和通道組成。到目前為止，不同類型的通道已經(jīng)被開發(fā)出來，如單通道、雙通道和流聚焦結(jié)[26,27,32]。為了連續(xù)生產(chǎn)纖維，“芯-鞘”（core-sheath）流動(dòng)曲線是必要部分，在這種情況下，紡絲溶液首先通過通道生成纖維，然后通過溶劑萃取、化學(xué)交聯(lián)或光刻固化過程。紡絲后的纖維通常具有均勻的直徑和光滑的表面形態(tài)，從而使得所制作的纖維表現(xiàn)出高力學(xué)性能。因此，這種纖維在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有很高的潛在應(yīng)用價(jià)值，如藥物輸送、骨組織工程和傷口封閉[9]。

表1 不同紡絲技術(shù)的比較

4. 基于微流控技術(shù)的再生蛋白纖維

盡管天然蛋白纖維表現(xiàn)出超強(qiáng)的力學(xué)特性，但它們的大規(guī)模生產(chǎn)仍然是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。因此，再生蛋白纖維被視為可以復(fù)制天然蛋白纖維分層結(jié)構(gòu)的替代品。研究者致力于開發(fā)生產(chǎn)具有高質(zhì)量和優(yōu)良力學(xué)性能的再生蛋白纖維的各種途徑，如濕法紡絲和電紡。然而，所開發(fā)的方法通常存在規(guī)模有限、程序復(fù)雜和需要大量溶劑等問題。

圖1. 微流控技術(shù)制備蛋白纖維示意圖。各種類型的蛋白可用于微流控裝置紡絲制備蛋白纖維。

然而，微流控技術(shù)在這些方面展現(xiàn)出獨(dú)特的性能，在制造人工蛋白纖維方面引起極大的關(guān)注。最近，Kinahan等[43]率先將微流控技術(shù)與建模相結(jié)合，通過絲蛋白的分子組裝，實(shí)現(xiàn)了對(duì)所制作蠶絲蛋白纖維性能的預(yù)測(cè)和控制[圖2（a）]。為了模仿自然界的紡絲過程，該研究設(shè)計(jì)了一個(gè)十字形通道的微流體裝置，該裝置具有可調(diào)控的三個(gè)入口和一個(gè)出口。在該裝置中，再生絲素蛋白（RSF）水溶液（濃度為8%，pH = 6.6）流經(jīng)中央入口并到達(dá)十字交叉口，然后與兩股外部的聚環(huán)氧乙烷（PEG）溶液相互作用。利用一個(gè)定制的注射器泵來控制流體的流動(dòng)從而調(diào)控纖維的直徑。同樣，后拉伸處理也可用于操縱纖維直徑。研究發(fā)現(xiàn)，紡絲后的拉伸處理（在另一個(gè)紡絲過程后對(duì)紡絲纖維進(jìn)行拉絲）增強(qiáng)了原紡絲纖維的力學(xué)性能，其楊氏模量約為3.5 GPa，拉伸強(qiáng)度約為80 MPa，斷裂應(yīng)變約為16%。與未拉絲的RSF纖維（即只是紡絲的纖維）相比，纖維力學(xué)性能的提高可以歸因于部分模仿天然絲力學(xué)性能的開卷區(qū)。

為了模仿蜘蛛絲和蠶絲的剪切和伸長條件，研究者通過單通道微流控芯片從再生的Bombyx mori中制造了RSF纖維[圖2（b）] [44,45]。在該研究中，通過以2 μL·min-1的流速從微芯片中擠出紡絲溶液[pH值約為4.8，50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的RSF溶液，0.3 mol·L-1Ca2+]來制作纖維。與脫膠后的絲素蛋白纖維相比，未經(jīng)紡絲的RSF纖維具有相似的直徑（12 μm），但力學(xué)性能較弱。與此形成鮮明對(duì)比的是，通過拉絲后處理（即在纖維紡絲后增加一個(gè)拉絲步驟），原紡絲纖維的力學(xué)性能得到顯著提高，表現(xiàn)出優(yōu)于其他RSF纖維和天然未脫膠的Bombyx mori蠶絲的力學(xué)性能，包括楊氏模量（19 GPa）、斷裂應(yīng)力（614 MPa）、斷裂應(yīng)變（27%）和斷裂能量（101 kJ·kg-1）[43,46]。

隨后，研究者通過微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了再生復(fù)合絲纖維的制造。由于優(yōu)異的生物相容性和結(jié)晶區(qū)的高硬度，纖維素納米纖維（CNF）已在作為生物相容性復(fù)合材料的增強(qiáng)劑方面顯示出巨大潛力[47]。利用CNF的力學(xué)性能和功能，Mittal等[48]報(bào)道了一種利用流動(dòng)輔助的排列和組裝方法制備高度定向的復(fù)合纖維（90%的CNF和10%的蜘蛛絲）的方法[圖3（a）]。在該研究中，一個(gè)雙流聚焦裝置由一個(gè)復(fù)合分散體的核心流和兩個(gè)周圍的鞘流組成。其中一個(gè)鞘流是去離子水（pH值約為5.6），防止通道壁出現(xiàn)堆積，而另一個(gè)鞘流是鹽酸（0.01 mol·L-1，pH值約為2），幫助CNF/絲蛋白在分散體中排列。與原始CNF纖維相比，CNF/Z-絲蛋白復(fù)合纖維的平均模量約為55 GP，韌度約為55 MJ·m-3，斷裂強(qiáng)度約為1015 MPa，以及延伸性約為6%，均超過了典型的天然或合成纖維的力學(xué)性能[39]。此外，免疫球蛋白G（ⅠgG）細(xì)胞結(jié)合試驗(yàn)表明，該復(fù)合纖維具有良好的生物相容性。以上結(jié)果表明，通過微流控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)復(fù)合蛋白纖維的簡易、可控和工業(yè)化制備。

近期，有研究者利用微流控技術(shù)開發(fā)了一種新型的RSF/CNF雜化纖維[圖3（b）] [49]。紡絲溶液以2 μL·min-1的流速泵入微流控通道，紡絲后的纖維干燥48 h，隨后，浸泡在含有80 %（體積分?jǐn)?shù)）乙醇的水溶液中。CNF的存在顯著地提高了雜化纖維的力學(xué)性能。特別是，雜化纖維[含0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的CNF]的斷裂強(qiáng)度提高到487 MPa，明顯高于純RSF的斷裂強(qiáng)度。此外，其延伸性也延長到16%。這是由于體系中CNF的存在導(dǎo)致了高結(jié)晶度、高中間相含量和較小的結(jié)晶尺寸，從而提高了雜化纖維的力學(xué)性能。

5. 基于微流控技術(shù)的重組蛋白纖維

除了再生蛋白纖維，研究者還利用微流控技術(shù)制造并研究了重組蛋白纖維。通過基因工程手段表達(dá)的重組蛋白，可以高度模仿天然蜘蛛絲纖維素的分層結(jié)構(gòu)和分子量。到目前為止，各種重組蛋白已經(jīng)被用作制造人造蛋白纖維的原料[50-52]。然而，所得到的纖維力學(xué)性能和功能仍然無法與天然蜘蛛絲相媲美[53]。通過對(duì)蜘蛛和蠶絲腺體的觀察，人們發(fā)現(xiàn)這兩種天然的紡絲機(jī)制都可以被認(rèn)為是復(fù)雜的微流控技術(shù)。為此，Peng等[54]設(shè)計(jì)了一種仿生微流體通道來模仿蠶絲腺的特定幾何形狀[圖4（a）]。該研究在大腸桿菌（Escherichia coli）中表達(dá)了Nephila clavipes（Mw= 47 kDa）的重組大壺狀腺蛋白Ⅰ（MaSp1），然后將其作為紡絲原液，利用仿生微流控芯片進(jìn)行兩種不同工藝紡絲。第一種是利用純乙醇作為凝固浴的微流控濕紡絲（WS）工藝，第二種是利用紡絲后拉伸工藝（WS-PSD）改性濕紡絲的工藝。在紡絲后拉絲處理后，利用這種仿生策略制備的蛋白纖維具有優(yōu)良的力學(xué)性能，并可與已報(bào)道的重組蜘蜘絲性能相媲美[圖4（b）]。

圖2. 微流控技術(shù)制備再生蜘蛛絲素蛋白纖維及其力學(xué)性能表征示意圖。（a）左圖為微流控裝置，由三個(gè)入口和一個(gè)出口組成。在微流控裝備交叉口處制備具有光滑表面和均勻直徑的再生絲素蛋白纖維。右圖為不同條件下再生絲素蛋白纖維的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線。經(jīng)American Chemical Society許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[43]，? 2011。（b）由單通道微流控裝置紡絲而成的再生蜘蛛絲素蛋白纖維（底圖）。紡絲后的再生蜘蛛絲素蛋白纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（頂部左上角內(nèi)插圖）。經(jīng)Elsevier B.V. 許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[44]，? 2014。

6. 基于微流控技術(shù)的其他蛋白纖維

盡管受到蜘蛛絲和蠶絲蛋白的啟發(fā)，人們對(duì)生物纖維進(jìn)行了廣泛的研究，但要想在依賴低成本蛋白質(zhì)和便捷紡絲技術(shù)的同時(shí)，開辟一種新的方法來制造高力學(xué)性能的生物纖維，仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。雖然其他纖維蛋白，如彈性蛋白、膠原蛋白和噬菌體病毒已被探索用于纖維制造[55-58]，但其力學(xué)性能仍不能令人滿意。

6.1. 球狀牛血清白蛋白基纖維

為了克服上述局限性，我們課題組最近開發(fā)了一種有效的策略，通過微流控技術(shù)成功制造出基于球狀牛血清白蛋白（BSA）的堅(jiān)固蛋白纖維（圖5）[59]。該微流控裝置具有一個(gè)雙通道的玻璃毛細(xì)管和一個(gè)單錐形出口（300 μm）。在纖維制造過程中，BSA溶液和戊二醛（GA）溶液在毛細(xì)管中匯聚，并被擠壓到80%（體積分?jǐn)?shù)）的甲醇/水凝固浴中，經(jīng)脫水處理后成功收集BSA纖維。研究發(fā)現(xiàn)，與原始BSA纖維（PBF）相比，GA交聯(lián)BSA纖維（GBF）的力學(xué)性能明顯增強(qiáng)。值得注意的是，GBF的后拉伸處理（P-GBF）進(jìn)一步提高了纖維的力學(xué)性能，其斷裂強(qiáng)度（300 MPa）、楊氏模量（4.4 GPa）、韌性（50 MJ·m-3）和延伸性（30%）等，甚至比許多其他蛋白纖維更高。

圖3. 微流控技術(shù)制備再生復(fù)合蛋白纖維。（a）用于制備復(fù)合纖維的雙流聚焦裝置示意圖。加入絲蛋白后，纖維的力學(xué)性能得到顯著提升。經(jīng)American Chemical Society許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[48]，? 2017。（b）使用微流控裝置進(jìn)行干法紡絲過程示意圖。通過加入0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）纖維素納米纖維，得到的再生絲素蛋白-纖維素復(fù)合纖維的力學(xué)性能有了明顯提高。經(jīng)American Chemical Society許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[49]，? 2019。

圖4. 通過微流控技術(shù)制備重組蜘蛛絲素蛋白纖維及其力學(xué)性能的示意圖。（a）模仿蠶絲腺體特定的集合構(gòu)型而設(shè)計(jì)的仿生微流控裝備，包括濕紡以及濕紡后拉伸。（b）重組蜘蛛絲素蛋白纖維的力學(xué)性能。典型的重組蜘蛛絲素蛋白纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。上圖為濕紡-3x；下圖為濕紡后拉伸-3x。經(jīng)Springer Nature許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[54]，? 2016。

6.2. 球形和線性蛋白基纖維

同時(shí)，一系列具有球形或線性結(jié)構(gòu)的蛋白，包括雞蛋、鵝蛋、牛奶和膠原蛋白，也被應(yīng)用于微流控紡絲技術(shù)并用于大量生產(chǎn)生物纖維[33]。研究中，微流體裝置由兩個(gè)錐形玻璃毛細(xì)管（同軸組裝在玻璃載玻片上）組成，其特點(diǎn)是層間和核心層通道分別用于蛋白質(zhì)溶液和5% GA交聯(lián)劑。這種技術(shù)能夠制造出具有高強(qiáng)高韌的蛋白纖維，與許多已報(bào)道的重組蜘蛛絲或再生蠶絲纖維的性能相當(dāng)，甚至比其更強(qiáng)[60-62]。由于其出色的力學(xué)性能和良好的生物相容性，這些蛋白纖維被成功應(yīng)用于大鼠和迷你豬模型的外科縫合。

此外，為了避免添加化學(xué)交聯(lián)劑，Haynl等[63]報(bào)道了一種使用微流控技術(shù)制造不含任何交聯(lián)劑的單根Ⅰ型膠原蛋白微纖維（圖6）。他們?cè)O(shè)計(jì)出一個(gè)基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的微流控裝置，該裝置具有分層通道的幾何形狀，以使蛋白流周圍的鞘流循環(huán)。在聚乙二醇（PEG）存在和適當(dāng)?shù)膒H值條件下，微纖維在交叉點(diǎn)形成并被擠壓到水浴中，隨后使用自動(dòng)線軸進(jìn)行牽引。結(jié)果顯示，流速對(duì)膠原蛋白纖維的力學(xué)性能有一定影響。較高的流速可以制備力學(xué)性能更強(qiáng)的纖維，其拉伸強(qiáng)度為(383 ± 85) MPa，楊氏模量為(4138 ± 512) MPa，這大大超過了用GA交聯(lián)或1-乙基-3-（3-二甲基氨基丙基）碳二亞胺（EDC）/N-羥基琥珀酰亞胺（NHS）交聯(lián)生產(chǎn)的纖維[55,64]。此外，神經(jīng)細(xì)胞NG108-15沿微纖維軸線的軸突生長揭示了這些纖維在周圍神經(jīng)修復(fù)中的潛在應(yīng)用[42]。

6.3. 以乳清蛋白分離物為基礎(chǔ)的纖維

最近，乳清蛋白分離物（WPⅠ）被開發(fā)為構(gòu)建蛋白纖維的替代平臺(tái)。Kamada等[65]報(bào)道了一種自下而上的組裝策略，通過微流控技術(shù)制造微纖維[圖6（b）]。他們使用雙流聚焦微流控裝置，在濃度為0.45%～1.8%、pH值為5.2的條件下生產(chǎn)淀粉樣蛋白納米原纖維（PNF）。結(jié)果顯示，纖維排列程度較低的彎曲PNF產(chǎn)生了機(jī)械強(qiáng)度高的微纖維，其楊氏模量約為288 MPa，延伸性約為1.5%。Kamada等[66]設(shè)計(jì)出一種流動(dòng)聚焦的微流控裝置，用于從β-乳球蛋白中制造分級(jí)的蛋白質(zhì)宏觀纖維，這種纖維可以自組裝成納米纖維。利用β-乳球蛋白制備紡絲涂料溶液，與CaCl2交聯(lián)劑溶液在連接處共流。將PEG加入鞘流來制造本體纖維，然后從通道出口立即收集，制成宏觀纖維。通過控制鞘層流速，可以精確地控制纖維的直徑和力學(xué)性能。特別是，通過添加預(yù)制的納米纖維和它們的排列，所紡纖維的楊氏模量和拉伸強(qiáng)度分別被進(jìn)一步提高到(2.21 ± 0.4) GPa和(92.0 ± 28.0) MPa。

圖5. 微流控技術(shù)制備血清蛋白纖維的示意圖。（a）該裝置由一個(gè)雙通道的微流控芯片、一個(gè)凝固浴和一個(gè)旋轉(zhuǎn)收集器組成。血清蛋白纖維在80%（體積分?jǐn)?shù)）的甲醇/水凝固浴中旋轉(zhuǎn)，以促進(jìn)戊二醛的交聯(lián)和脫水過程。（b）不同條件下血清蛋白纖維的典型應(yīng)變-應(yīng)力曲線。經(jīng)Wiley許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[59]，? 2019。

圖6. 通過微流控技術(shù)制造膠原蛋白和分離乳清蛋白（WPⅠ）纖維及其力學(xué)性能的示意圖。（a）上圖為一個(gè)微流控芯片與三個(gè)獨(dú)立的注射泵相連，可以同時(shí)泵送pH值為3的膠原蛋白溶液（紅色）和pH值為8的兩個(gè)含PEG的緩沖溶液（藍(lán)色）。微纖維被擠壓到水浴中，由一個(gè)自動(dòng)轉(zhuǎn)軸抽出。下圖為膠原蛋白纖維的典型應(yīng)變-應(yīng)力曲線。經(jīng)American Chemical Society許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[63]，? 2016。（b）上圖為用于纖維組裝的雙流聚焦裝置示意圖。蛋白納米原纖維（PNF）散體、去離子水和醋酸緩沖液（pH = 5.2）分別注入芯流、第一鞘流和第二鞘流。下圖為典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，顯示出相當(dāng)脆的特性，楊氏模量約為288 MPa，延伸性約為1.5%。經(jīng)National Academy of Sciences許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[65]，? 2017。

表2總結(jié)并比較了通過微流控技術(shù)開發(fā)的不同類型的蛋白纖維的力學(xué)性能。對(duì)比可知，微流控技術(shù)可以為制造高強(qiáng)高韌蛋白纖維提供一個(gè)強(qiáng)大的平臺(tái)。這樣的通用策略不僅適用于再生絲蛋白和重組蛋白，而且也適用于其他常用蛋白。特別是自然界中廣泛存在的蛋白，如雞蛋卵白蛋白和牛奶酪蛋白，都可以通過微流控技術(shù)來制造堅(jiān)固的蛋白纖維。此外，與使用細(xì)胞毒性交聯(lián)劑制造的蛋白纖維相比，通過微流控技術(shù)制造的蛋白纖維表現(xiàn)出良好的生物相容性。微流控裝置為制造低濃度蛋白纖維提供了很好的潛力，從而產(chǎn)生了具有更明顯排列的無紡纖維。然而，用微流控技術(shù)生產(chǎn)的蛋白纖維的力學(xué)性能仍然不如天然蜘蛛絲纖維。因此，需要更進(jìn)一步研究纖維力學(xué)、通道大小和類型、流速、剪切力和分層蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

表2 微流控技術(shù)制備蛋白纖維的比較

7. 結(jié)論和展望

作為迅速崛起的材料之一，生態(tài)友好和堅(jiān)固的蛋白纖維除了一些高科技應(yīng)用外，還被廣泛用于組織工程領(lǐng)域。最近，通過微流控技術(shù)制造蛋白纖維取得了重大進(jìn)展。與其他紡絲技術(shù)相比，微流控技術(shù)在微尺度方面提供了方便和可控的操作，以生產(chǎn)連續(xù)的蛋白纖維。同時(shí)，該方法具有特殊的優(yōu)勢(shì)，包括成本低，易于制造設(shè)計(jì)良好的結(jié)構(gòu)，以及簡單的后期處理。此外，在使用微流控技術(shù)生產(chǎn)的纖維中靈活地加入各種功能材料，為提高原紡纖維的力學(xué)性能提供了更多機(jī)會(huì)。鑒于該技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì)，微流控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制造具有多種功能的高機(jī)械強(qiáng)度的纖維材料。

盡管通過精確控制通道的大小和類型、流速和剪切力，可以在設(shè)計(jì)良好的微流控裝置中產(chǎn)生機(jī)械強(qiáng)度高的蛋白纖維，但在纖維加工過程中仍存在一些不足。眾所周知，蛋白結(jié)構(gòu)在決定蛋白纖維的機(jī)械行為方面起著舉足輕重的作用。然而，到目前為止，微流控芯片還不足以在納米尺度上有效控制蛋白結(jié)構(gòu)。這種方法也缺乏有效的策略來構(gòu)建具有分層結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)纖維，如芯-殼型、多股型、螺旋型或詹納斯型結(jié)構(gòu)。此外，在單個(gè)微流控芯片中整合單絲和扭轉(zhuǎn)紡絲技術(shù)仍然是個(gè)問題。當(dāng)然，設(shè)計(jì)多個(gè)通道以生成復(fù)雜的蛋白纖維仍然具有挑戰(zhàn)性。

設(shè)計(jì)一類不犧牲蛋白結(jié)構(gòu)和取向的新型微流控技術(shù)，對(duì)于改善蛋白纖維的機(jī)械行為和功能是非?？扇〉?。為了進(jìn)一步促進(jìn)微流控技術(shù)在蛋白纖維制造中的應(yīng)用，新的制造技術(shù)，如三維或四維印刷可以被整合到微流控芯片的設(shè)計(jì)中。設(shè)計(jì)具有獨(dú)特的刺激反應(yīng)特征的微流控芯片同樣也可以促進(jìn)對(duì)所紡蛋白纖維力學(xué)特性的控制。因而，在制造具有各種定制特性、成分、結(jié)構(gòu)和按需功能的蛋白纖維方面，先進(jìn)的微流控技術(shù)的發(fā)展將為生物纖維的實(shí)際應(yīng)用鋪平道路。

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