针对上述问题，本研究以富含丝氨酸和酪氨酸等富含活性氨基酸的再生丝素蛋白为基质，通过微流控湿法纺丝技术，酪氨酸进行光交联形成双酪氨酸结构，对丝氨酸进行锌离子配位交联，最终在再生丝素蛋白纤维内部形成双交联网络结构，展现出又强又韧的力学性能。经过相关优化和后拉伸处理后，双重交联纤维还展现出了良好的温度适应性，抗疲劳性、生物相容性和生物降解性，是作为手术缝合线的理想选择。这项研究的结果表明，利用再生丝素蛋白及其特定交联方式，能够创造出在医疗领域中具备广阔应用前景的高性能纤维材料。相关研究成果发表于Advanced Functional Materials上。浙江大学博士生肖垚和硕士生杨泽为共同一作，浙江大学陈东教授作为通讯作者。
1、双重交联蛋白纤维制备与性能测试
本研究采用了富含丝氨酸和酪氨酸等富含活性氨基酸的再生丝素蛋白作为基质，并利用微流控湿法纺丝技术，在光引发剂和光照辐射的帮助下对酪氨酸进行光交联，形成双酪氨酸结构；同时用锌离子对丝氨酸进行配位交联，形成双重网络结构，如图1所示。电镜图表明，纤维横截面呈现出规则的圆形结构，并且在偏光显微镜下可以观察到其具有良好的双折射现象，证明微流控装置对纤维具有一定的物理剪切功能，使纤维内部能够形成良好的分子取向。
图1. 高强高韧生物基双重交联纤维制备示意图。（a）微流控湿法纺丝制备双重交联再生丝素蛋白纤维示意图；（b）双重交联再生丝素蛋白纤维进行差速拉伸示意图；（c）再生丝素蛋白网络示意图；（d）光交联再生丝素蛋白网络示意图；（d）锌离子配位交联再生丝素蛋白网络示意图；（f）双重交联再生丝素蛋白网络示意图。
图2. 蛋白纤维形貌图。（a）-（d）再生丝素蛋白纤维、光交联再生丝素蛋白纤维、锌离子配位交联再生丝素蛋白纤维和双重交联再生丝素蛋白纤维收集实物图；（e）-（h）再生丝素蛋白纤维、光交联再生丝素蛋白纤维、锌离子配位交联再生丝素蛋白纤维和双重交联再生丝素蛋白纤维断面电镜图；（f）-（l）再生丝素蛋白纤维、光交联再生丝素蛋白纤维、锌离子配位交联再生丝素蛋白纤维和双重交联再生丝素蛋白纤维偏光显微镜图。
2、双重交联蛋白纤维性能测试
拉曼和荧光光谱同时证明了在光引发剂和光照辐射的帮助下，成功形成了双酪氨酸结构，且双重交联蛋白纤维的抗拉强度、杨氏模量以及韧性随辐射时间的增加，呈现出一个先增长后保持不变的趋势，断裂伸长率呈现出先降低后保持不变的趋势。红外光谱表明，锌离子能够有效的与基质中的丝氨酸形成金属配位交联，如图3所示。
图3. 蛋白纤维内部化学键的表征。（a）拉曼光谱；（b）荧光光谱；（c）-（d）双重交联再生丝素蛋白纤维抗拉强度、杨氏模量、断裂伸长率和韧性随光照时间的变化；（e）红外光谱；（f）再生丝素蛋白纤维、光交联再生丝素蛋白纤维、锌离子配位交联再生丝素蛋白纤维和双重交联再生丝素蛋白纤维酰胺I带中的二级结构含量。
对蛋白纤维进行后拉伸处理后，纤维的抗拉强度、杨氏模量呈现出递增的趋势，断裂伸长率持续下降，这是由于后拉伸处理会有益于提升纤维的内部取向，从而使得抗拉强度和杨氏模量增加；但后拉伸处理会使得纤维内部分子链处于被拉伸状态，从而降低了纤维的断裂伸长率，如图4所示。双重交联再生丝素蛋白纤维经过6倍后拉伸处理后，其抗拉强度、杨氏模量、断裂伸长率和韧性分别为891 MPa、15.0 GPa、20.1%和114 MJ/m3，力学性能逐渐逼近天然蜘蛛牵引丝。
在不同温度下对双重交联再生丝素蛋白纤维进行原位测试，发现其在-50~80℃下均能保持良好的力学性能，这得益于纤维固有的性质以及甘油的帮助。将多根纤维加捻形成纤维束，操控具有相同动量的小车对其进行撞击，发现仅有双重交联再生丝素蛋白纤维能够抵御住，证明其具有良好的抗动载能力。且在其进行一千次的循环拉伸后，其力学性能下降的微乎其微，证明其优异的抗疲劳特性。与其它再生生物基纤维相比，双重交联再生丝素蛋白纤维在抗拉强度和韧性方面上表现出独一无二的平衡，如图5所示。
图4. 蛋白纤维力学性能。（a）-（d）再生丝素蛋白纤维、光交联再生丝素蛋白纤维、锌离子配位交联再生丝素蛋白纤维和双重交联再生丝素蛋白纤维在不同拉伸倍数下的应力应变曲线图；（e）-（f）再生丝素蛋白纤维、光交联再生丝素蛋白纤维、锌离子配位交联再生丝素蛋白纤维和双重交联再生丝素蛋白纤维的抗拉强度、杨氏模量、断裂伸长率和韧性。
图5. 蛋白纤维的温度适应性、抗冲击性和抗疲劳特性。（a）-（b）双重交联再生丝素蛋白纤维在不同温度下的抗拉强度、杨氏模量、断裂伸长率和韧性；（c）-（f）再生丝素蛋白纤维、光交联再生丝素蛋白纤维、锌离子配位交联再生丝素蛋白纤维和双重交联再生丝素蛋白纤维的抗冲击特性；（g）双重交联再生丝素蛋白纤维的抗疲劳特性；（h）双重交联再生丝素蛋白纤维与其它再生生物基纤维的强度和韧性对比图。
3、双重交联蛋白的生物相容性和生物降解性
以双重交联在生丝素蛋白纤维为手术缝合线，发现其生物毒性很低，与细胞可以进行共培养，表现出优异的生物相容性。且在生物酶的作用下，在体外可以实现快速降解，展现出优异的生物降解性。对小鼠进行缝合后，仅12天伤口就能实现愈合。此外，所设计蛋白纤维还具备载药功能，其产生的炎症反应弱，说明动物对其基本上不产生免疫排斥，如图6所示。双重交联在生丝素蛋白纤维优异的力学性能、生物相容性和生物降解性，使其成为生物医学应用的理想候选者。
图6. 双重交联再生丝素蛋白纤维的生物相容性和生物降解性。（a）-（b）双重交联再生丝素蛋白纤维的细胞毒性；（c）不同直径的双重交联再生丝素蛋白纤维体外降解性；（d）双重交联再生丝素蛋白纤维作为手术缝合线的模型示意图；（e）双重交联再生丝素蛋白纤维作为手术缝合线的效果图；（f）双重交联再生丝素蛋白纤维作为手术缝合线伤口愈合后的炎症观察结果。
结论与展望：本文基于微流控湿法纺丝技术，设计双重交联网络结构，制备出了高强高韧的再生丝素蛋白纤维，解决了传统再生生物基纤维无法同时实现高强高韧的矛盾。且双重交联纤维展现出了良好的温度适应性，抗疲劳性、生物相容性和生物降解性，是作为手术缝合线的理想选择，在生物医学应用方面具有广阔的前景。