Super-strong Intrinsically Fluorescent Silkworm Silk from Carbon Nanodots Feeding
Suna Fan, Xiaoting Zheng, Qi Zhan, Huihui Zhang, Huili Shao, Jiexin Wang,Chengbo Cao, Meifang Zhu, Dan Wang, Yaopeng Zhang
Nano-Micro Lett. (2019) 11: 75
https://doi.org/10.1007/s40820-019-0303-z
1 采用添食育蚕法，喂食家蚕纳米碳点，制备原生超强韧荧光蚕丝。
2 通过这种方法得到的多功能蚕丝无细胞毒性，有望用于生物成像、支架示踪、降解监测等生物医学领域。
3 提出了纳米碳点增强荧光蚕丝的机理，为后续制备其他超强荧光蚕丝提供了新的思路。
近日，东华大学纤维材料改性国家重点实验室张耀鹏、邵惠丽教授所领衔的生物质材料成型与加工课题组与北京化工大学王丹、王洁欣教授、山东大学曹成波教授合作，利用荧光性能稳定、生物相容性优异、可在水溶液中稳定分散的纳米碳点改性人工饲料，并用其喂食家蚕，利用家蚕作为生物反应器，将直径约1-5nm的碳点直接引入丝素蛋白，成功制备了超强韧的原生荧光蚕丝。范苏娜博士为论文第一作者，硕士生郑小婷为论文共同作者。
纳米碳点的摄入对家蚕的生长、蚕茧外观以及茧重无不良影响，但可赋予脱胶丝原生的荧光性能，即在405nm波长激光的激发下可发出稳定均匀的蓝色荧光。
同时，进入家蚕丝腺的纳米碳点可利用其自身的官能团与丝素蛋白作用，进而阻碍丝素蛋白由无规卷曲/α-螺旋构象向β-折叠构象转变，导致限制性结晶及微区取向的发生，最终大幅提高蚕丝的力学性能，断裂强度和断裂伸长率高达521.9±82.7 MPa、19.2±4.3%，较未改性蚕丝分别提高了55.1% 和53.6%。同时，该高强度荧光蚕丝保有了天然蚕丝优异的生物相容性，有望用于生物成像、支架示踪等多种生物医学应用。
本文利用家蚕天然的生物反应器，采用添食育蚕法制备高强韧荧光蚕丝不仅绿色环保，而且易于产业化推广，为实现高值化蚕丝的规模化生产提供了新的思路，有望推动传统丝绸产业的转型升级，为拓展多功能蚕丝的应用奠定基础。
荧光蚕丝作为一种新型的生物功能材料，在组织工程、生物成像、智能服装、生物电子等领域展现出巨大的应用前景。目前制备荧光蚕丝的方法主要有后处理改性法和基因改性法。其中，后处理改性是采用有机染料或无机纳米粒子对天然蚕丝进行染色，但所得蚕丝的光稳定性和生物相容性差，且易造成环境污染，与绿色环保的可持续发展理念相悖。基因改性法利用蚕作为生物反应器，将荧光蛋白基因导入家蚕体内可得到原生荧光蚕丝，但成本高、制备繁杂、效率低，难以产业化推广。另外，多数荧光蚕丝仅能保持天然蚕丝原有的力学性能，尚与高强度的蜘蛛丝或其他复合蚕丝存在较大差距。因此，如何在保持甚至提高天然蚕丝优异力学性能和生物相容性的前提下，采用绿色方法规模化制备原生荧光蚕丝依然有待解决。
▍喂食家蚕纳米碳点制备多功能蚕丝
喂食纳米碳点对家蚕的生长、蚕茧外观及茧重无不良影响，如图1所示。同时，所得脱胶丝的表面形貌无明显差异，未在其表面观察到纳米粒子。但在370nm的激发光照射下，经纳米碳点改性的脱胶丝均在450nm处出现较强的荧光峰，与纳米碳点的峰位相近（图1f），说明脱胶丝的荧光性能来源于纳米碳点，即碳点分布在蚕丝内。
图1 喂食家蚕纳米碳点制备多功能蚕丝：(a-d)不同纳米碳点添食量的家蚕及相应蚕茧、脱胶丝的光学照片，(e)五龄蚕从第一天到第七天的重量变化，(f)脱胶丝的荧光光谱图(激发波长为370nm)。
▍纳米碳点添食量对蚕丝荧光性能的影响
经纳米碳点改性的脱胶丝在一定波长(405nm)激光照射下，均呈现均匀的蓝色荧光，且其强度随添食量的增加而增强，说明碳点在丝素蛋白内部均匀分布。为进一步证明上述结论，对家蚕丝腺的荧光性能进行研究(图2)。当添食量较低时，后部丝腺无明显变化，中部丝腺具有浅蓝色荧光；添食量增加，后部丝腺与中部丝腺均呈明亮的蓝色荧光，且荧光强度不断增加。由于丝素蛋白产生于后部丝腺，并在丝腺中不断浓缩，有力证明了纳米碳点进入丝素蛋白内部，赋予了脱胶丝优异的原生荧光性能。
图2 纳米碳点添食量对蚕丝荧光性能的影响：(a)喂食家蚕纳米碳点及相应的丝腺、蚕丝的示意图，(b-e)脱胶丝的激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)照片(激发波长：405 nm，标尺：50 µm)，(b’-e’)丝腺在紫外灯下的光学照片，(f-h)纳米碳点(f)、后部丝腺(g)、中部丝腺(h)的荧光光谱图(激发波长：370nm)。
与普通脱胶丝相比，经纳米碳点改性的脱胶丝的力学性能显著提高，如表1所示。当纳米碳点添食量为1.25wt%时，脱胶丝(CNDs-1.25)的断裂强度和断裂伸长分别高达521.9MPa、19.2%，比普通脱胶丝分别提高了55.1%和53.6%，且远高于文献报道的其他荧光蚕丝，说明本文提出的纳米碳点添食育蚕法可成功制备超强韧的荧光蚕丝。
表1 多功能荧光蚕丝的力学性能
本文从丝素蛋白的分子构象、结晶结构、取向度等出发，研究多功能蚕丝的增强机理(表2、图3)。红外光谱结果表明丝素蛋白与纳米碳点间无共价键形成，但纳米碳点的引入，阻碍了丝素蛋白由无规卷曲/α-螺旋构象向β-折叠构象转变(图3a-b)；最终导致限制性结晶，使得改性蚕丝的结晶度和晶粒尺寸下降，中间相含量及取向度增加(图3c、表2)。原因可能在于纳米碳点表面的羧基、羟基与丝素蛋白的氨基形成了分子间氢键，其作为“交联点”阻碍了分子链的运动。
基于此，本文提出了纳米碳点改性蚕丝的强韧化机理，如图3d所示。当外界应力较小时，非晶区的丝素分子链首先进行移动；此时在分子间氢键的作用下，纳米尺寸的碳点同时运动，并为丝素分子链提供更多的运动空间。两者共同作用，赋予改性蚕丝较大的伸长。随外界应力的增加，丝素分子与纳米碳点之间的氢键发生断裂，耗散部分能量。同时，纳米碳点将部分作用于蚕丝的能量转移，加之改进蚕丝较高的中间相含量及取向度，多种因素共同作用赋予改性蚕丝优异的力学性能。
表2 多功能荧光蚕丝的赫尔曼取向因子及晶区结构参数
图3 多功能蚕丝的结晶结构及力学增强机理:(a)脱胶丝的红外光谱，(b)红外光谱在酰胺I区的分峰结果，(c)一维广角衍射图，(d)纳米碳点增强蚕丝的机理示意图。
▍多功能荧光蚕丝的细胞相容性
在改性蚕丝支架上培养的血旺细胞具有良好的黏附特性和生长状态，表明该高强度荧光蚕丝保有了天然蚕丝优异的生物相容性。同时，可利用其荧光性能实现生物成像、支架示踪、降解监测等多种生物医学功能(图4)。
图4 血旺细胞在多功能蚕丝支架上的生长和增殖：(a)蚕丝支架示意图，(b)血旺细胞在不同支架培养2、4、6天后的吸光度值，(c-d’)血旺细胞在普通蚕丝(c-c’)、多功能蚕丝(d-d’)支架培养4天后的SEM(c-d)和LSCM图(c’-d’)。
张耀鹏
东华大学材料科学与工程学院副院长
纤维材料改性国家重点实验室副主任
▍主要研究领域
曾主持国家重点研发计划课题1项、国家自然科学基金4项等国家和省部级课题20余项；获省部级二等奖2项、三等奖2项，中央军委科技委军队科技进步二等奖1项，香港桑麻纺织科技二等奖1项；在ACS Nano等期刊发表SCI论文80余篇，总被引1100余次；申请专利43项，授权33项；参编《化学纤维手册》、《绿色纤维和生态纺织新技术》专著2部；添食育蚕法制备多功能高强度蚕丝的工作被美国化学与工程新闻（C&EN）、科学美国人等多家国际媒体报道。先后入选上海市“晨光学者”、“浦江人才”、“青年科技启明星”以及“曙光学者”等。
Email: zyp@dhu.edu.cn
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