基于微流控工程的高强力学机能蛋白纤维丨Engineering_纤维_卵白

受蜘蛛丝和蚕丝纤维研究启示的蛋白纤维，由于非凡的力学性能和功能而受到广泛的关注。
正是基于出色的内在特色，这些纤维在生物医学、伤口愈合、传感器、药物运送和组织工程方面具有广阔的运用前景。
因而，各种纺丝技能已被广泛用于制备蛋白纤维，包括电纺、牵伸纺、湿纺、溶液吹纺和干纺。
然而，这些人工纺丝与自然纺丝过程存在差异，且对所纺纤维的长度、直径和力学性能的掌握较弱。
由于在纺丝过程中常日利用高浓度的蛋白溶液作为纺丝原液，因此在制备蛋白纤维的过程中一定要经由物理凝固过程。
此外，连续功能蛋白纤维的大规模生产仍旧受到限定。
研究创造，蜘蛛或蚕的微型纺丝管道可以被视为范例的微流控设备。
因此，微流控技能已被探索用于工程纺丝，并为以大略单纯并可控的办法制造蛋白纤维供应了巨大的潜力。

近期，微流控技能作为一种易于实行的方法，已被广泛地研究并运用于制造生物纤维（图1）。
与其他技能比较，微流控技能供应了一个大略的平台，以可控的办法模拟自然纺丝过程。
例如，受生物启示， Yu等通过同轴毛细管微流控装置开拓了具有可控构象的螺旋微纤维，展示出多功能的生物医学工程运用。
此外，微流控技能的本钱效益为大批量连续微纤维生产供应了简便策略。
在纤维纺丝中利用生物相容性溶剂，匆匆使该技能在组织工程和药物运送研究领域得到广泛运用。
其余，通过微流控技能便于实现大规模生产具有不同形态和统一尺寸的蛋白纤维。
由于通道大小和类型、流速和剪切力的精确可控性，通过设计微流控芯片便于制备具有可控形态和性子的机器强韧蛋白纤维。

图1 微流控技能制备蛋白纤维示意图。
各种类型的蛋白可用于微流控装置纺丝制备蛋白纤维

在此，我们对基于微流控技能的蛋白纤维制造及其力学性能的最新进展进行干系谈论。
首先，对基于微流控技能开拓的各种蛋白纤维，包括再生蛋白纤维、重组蛋白纤维和其他来源的蛋白纤维进行谈论；其次，对每种类型的蛋白纤维的布局过程和力学性能进行深入磋商，为具有技能运用的人造蛋白纤维的制造供应范例；末了，对用于蛋白纤维生产的微流控技能的发展进行总结与展望。

在过去的几十年里，天然蜘蛛丝的非凡力学性能引发了研究者对制造合成纤维的兴趣。
天然蜘蛛丝是在生理条件（水介质、环境温度等）下由分外的纺丝腺体生产，如大安瓿腺、小安瓿腺、鞭毛腺、梨形腺和圆柱形腺体。
S形的锥形管道为旋转的涂料供应了额外的剪切力，加强了蛋白分子的取向。
此外，由特定细胞分泌的各种离子，如H^{+ 和PO_{43−促进了脱水过程和β片状构造的形成。
鉴于其化学物理条件，天然蛛丝纤维展现出超强的力学性能（杨氏模量约为15 GPa，强度约为 1.5 GPa，延展性约为40%，韧性约为200 MJ·m−3），常日是凯夫拉尔纤维的三倍，钢铁的五倍。}}

与其他纺丝技能比较，微流控技能已成为一种非常有运用前景的纤维生产方法之一。
如表1所示，电纺常日须要高电压和高剪切力，而熔融纺则须要高温。
比较之下，微流控技能履行条件温和，且具有较高的可重复性和产量能力。
此外，微流控技能可以在微/纳米级别精确掌握纤维的形状、大小和各向异性。
常日，微流控装置由一个腔室、一个储液器和通道组成。
到目前为止，不同类型的通道已经被开拓出来，如单通道、双通道和流聚焦结。
为了连续生产纤维，“芯-鞘”（core-sheath）流动曲线是必要部分，在这种情形下，纺丝溶液首先通过通道天生纤维，然后通过溶剂萃取、化学交联或光刻固化过程。
纺丝后的纤维常日具有均匀的直径和光滑的表面形态，从而使得所制作的纤维表现出高力学性能。
因此，这种纤维在生物医学领域有很高的潜在运用代价，如药物运送、骨组织工程和伤口封闭。

表1 不同纺丝技能的比较

只管天然蛋白纤维表现出超强的力学特性，但它们的大规模生产仍旧是一个巨大寻衅。
因此，再生蛋白纤维被视为可以复制天然蛋白纤维分层构造的替代品。
研究者致力于开拓生产具有高质量和优秀力学性能的再生蛋白纤维的各种路子，如湿法纺丝和电纺。
然而，所开拓的方法常日存在规模有限、程序繁芜和须要大量溶剂等问题。

然而，微流控技能在这些方面展现出独特的性能，在制造人工蛋白纤维方面引起极大的关注。
最近， Kinahan等率先将微流控技能与建模相结合，通过丝蛋白的分子组装，实现了对所制作蚕丝蛋白纤维性能的预测和掌握[图2（a）]。
为了模拟自然界的纺丝过程，该研究设计了一个十字形通道的微流体装置，该装置具有可调控的三个入口和一个出口。
在该装置中，再生丝素蛋白（RSF）水溶液（浓度为8%，pH = 6.6）流经中心入口并到达十字交叉口，然后与两股外部的聚环氧乙烷（PEG）溶液相互浸染。
利用一个定制的注射器泵来掌握流体的流动从而调控纤维的直径。
同样，后拉伸处理也可用于操纵纤维直径。
研究创造，纺丝后的拉伸处理（在另一个纺丝过程后对纺丝纤维进行拉丝）增强了原纺丝纤维的力学性能，其杨氏模量约为3.5 GPa，拉伸强度约为80 MPa，断裂应变约为16%。
与未拉丝的 RSF纤维（即只是纺丝的纤维）比较，纤维力学性能的提高可以归因于部分模拟天然丝力学性能的开卷区。

图2 微流控技能制备再生蜘蛛丝素蛋白纤维及其力学性能表征示意图。
（a）左图为微流控装置，由三个入口和一个出口组成。
在微流控装备交叉口处制备具有光滑表面和均匀直径的再生丝素蛋白纤维。
右图为不同条件下再生丝素蛋白纤维的范例应力-应变曲线。
经American Chemical Society容许，转载自参考文献，© 2011。
（b）由单通道微流控装置纺丝而成的再生蜘蛛丝素蛋白纤维（底图）。
纺丝后的再生蜘蛛丝素蛋白纤维的应力-应变曲线（顶部左上角内插图）。
经Elsevier B.V. 容许，转载自参考文献，© 2014

为了模拟蜘蛛丝和蚕丝的剪切和伸长条件，研究者通过单通道微流控芯片从再生的Bombyx mori 中制造了RSF纤维[图2（b）]。
在该研究中，通过以 2 μL·min^{−1的流速从微芯片中挤出纺丝溶液[pH值约为 4.8，50%（质量分数）的RSF溶液，0.3 mol·L−1 Ca2+]来制作纤维。
与脱胶后的丝素蛋白纤维比较，未经纺丝的 RSF纤维具有相似的直径（12 μm），但力学性能较弱。
与此形成光鲜比拟的是，通过拉丝后处理（即在纤维纺丝后增加一个拉丝步骤），原纺丝纤维的力学性能得到显著提高，表现出优于其他RSF纤维和天然未脱胶的 Bombyx mori蚕丝的力学性能，包括杨氏模量（19 GPa）、断裂应力（614 MPa）、断裂应变（27%）和断裂能量（101 kJ·kg−1）。}

随后，研究者通过微流控技能实现了再生复合丝纤维的制造。
由于精良的生物相容性和结晶区的高硬度，纤维素纳米纤维（CNF）已在作为生物相容性复合股料的增强剂方面显示出巨大潜力。
利用CNF的力学性能和功能，Mittal等宣布了一种利用流动赞助的排列和组装方法制备高度定向的复合纤维（90% 的CNF和10%的蜘蛛丝）的方法[图3（a）]。
在该研究中，一个双流聚焦装置由一个复合分散体的核心流和两个周围的鞘流组成。
个中一个鞘流是去离子水（pH值约为5.6），防止通道壁涌现堆积，而另一个鞘流是盐酸（0.01 mol·L^{−1，pH值约为2），帮助CNF/丝蛋白在分散体中排列。
与原始CNF纤维比较，CNF/Z-丝蛋白复合纤维的均匀模量约为55 GP，韧度约为55 MJ·m−3，断裂强度约为1015 MPa，以及延伸性约为6%，均超过了范例的天然或合成纤维的力学性能。
此外，免疫球蛋白G（IgG）细胞结合试验表明，该复合纤维具有良好的生物相容性。
以上结果表明，通过微流控技能可以实现超强复合蛋白纤维的大略单纯、可控和工业化制备。}

近期，有研究者利用微流控技能开拓了一种新型的RSF/CNF杂化纤维[图3（b）]。
纺丝溶液以 2 μL·min^{−1的流速泵入微流控通道，纺丝后的纤维干燥 48 h，随后，浸泡在含有80 %（体积分数）乙醇的水溶液中。
CNF的存在显著地提高了杂化纤维的力学性能。
特殊是，杂化纤维[含0.1%（质量分数）的CNF]的断裂强度提高到487 MPa，明显高于纯RSF的断裂强度。
此外，其延伸性也延长到16%。
这是由于体系中CNF的存在导致了高结晶度、高中间相含量和较小的结晶尺寸，从而提高了杂化纤维的力学性能。}

图3 微流控技能制备再生复合蛋白纤维。
（a）用于制备复合纤维的双流聚焦装置示意图。
加入丝蛋白后，纤维的力学性能得到显著提升。
经 American Chemical Society容许，转载自参考文献，© 2017。
（b）利用微流控装置进行干法纺丝过程示意图。
通过加入0.1%（质量分数）纤维素纳米纤维，得到的再生丝素蛋白-纤维素复合纤维的力学性能有了明显提高。
经American Chemical Society容许，转载自参考文献，© 2019

除了再生蛋白纤维，研究者还利用微流控技能制造并研究了重组蛋白纤维。
通过基因工程手段表达的重组蛋白，可以高度模拟天然蜘蛛丝纤维素的分层构造和分子量。
到目前为止，各种重组蛋白已经被用作制造人造蛋白纤维的质料。
然而，所得到的纤维力学性能和功能仍旧无法与天然蜘蛛丝相媲美。
通过对蜘蛛和蚕丝腺体的不雅观察，人们创造这两种天然的纺丝机制都可以被认为是繁芜的微流控技能。
为此，Peng等设计了一种仿生微流体通道来模拟蚕丝腺的特定几何形状[图4（a）]。
该研究在大肠杆菌（Escherichia coli）中表达了Nephila clavipes（M_{w = 47 kDa）的重组大壶状腺蛋白I（MaSp1），然后将其作为纺丝原液，利用仿生微流控芯片进行两种不同工艺纺丝。
第一种是利用纯乙醇作为凝固浴的微流控湿纺丝（WS）工艺，第二种是利用纺丝后拉伸工艺（WS-PSD）改性湿纺丝的工艺。
在纺丝后拉丝处理后，利用这种仿生策略制备的蛋白纤维具有优秀的力学性能，并可与已宣布的重组蜘蜘丝性能相媲美[图4（b）]。}

图4 通过微流控技能制备重组蜘蛛丝素蛋白纤维及其力学性能的示意图。
（a）模拟蚕丝腺体特定的凑集构型而设计的仿生微流控装备，包括湿纺以及湿纺后拉伸。
（b）重组蜘蛛丝素蛋白纤维的力学性能。
范例的重组蜘蛛丝素蛋白纤维的应力-应变曲线。
上图为湿纺-3x；下图为湿纺后拉伸-3x。
经Springer Nature容许，转载自参考文献，© 2016

只管受到蜘蛛丝和蚕丝蛋白的启示，人们对生物纤维进行了广泛的研究，但要想在依赖低本钱蛋白质和便捷纺丝技能的同时，开辟一种新的方法来制造高力学性能的生物纤维，仍旧是一项寻衅。
虽然其他纤维蛋白，如弹性蛋白、胶原蛋白和噬菌体病毒已被探索用于纤维制造，但其力学性能仍不能令人满意。

（一）球状牛血明净蛋白基纤维

为了战胜上述局限性，我们课题组最近开拓了一种有效的策略，通过微流控技能成功制造出基于球状牛血明净蛋白（BSA）的坚固蛋白纤维（图5）。
该微流控装置具有一个双通道的玻璃毛细管和一个单锥形出口（300 μm）。
在纤维制造过程中，BSA溶液和戊二醛（GA）溶液在毛细管中汇聚，并被挤压到80%（体积分数）的甲醇/水凝固浴中，经脱水处理后成功网络BSA纤维。
研究创造，与原始BSA纤维（PBF）比较，GA交联BSA纤维（GBF）的力学性能明显增强。
值得把稳的是，GBF的后拉伸处理（P-GBF）进一步提高了纤维的力学性能，其断裂强度（300 MPa）、杨氏模量（4.4 GPa）、韧性（50 MJ·m^{−3）和延伸性（30%）等，乃至比许多其他蛋白纤维更高。}

图5 微流控技能制备血清蛋白纤维的示意图。
（a）该装置由一个双通道的微流控芯片、一个凝固浴和一个旋转网络器组成。
血清蛋白纤维在 80%（体积分数）的甲醇/水凝固浴中旋转，以促进戊二醛的交联和脱水过程。
（b）不同条件下血清蛋白纤维的范例应变-应力曲线。
经Wiley容许，转载自参考文献，© 2019

（二）球形和线性蛋白基纤维

同时，一系列具有球形或线性构造的蛋白，包括鸡蛋、鹅蛋、牛奶和胶原蛋白，也被运用于微流控纺丝技能并用于大量生产生物纤维。
研究中，微流体装置由两个锥形玻璃毛细管（同轴组装在玻璃载玻片上）组成，其特点是层间和核心层通道分别用于蛋白质溶液和 5% GA交联剂。
这种技能能够制造出具有高强高韧的蛋白纤维，与许多已宣布的重组蜘蛛丝或再生蚕丝纤维的性能相称，乃至比其更强。
由于其出色的力学性能和良好的生物相容性，这些蛋白纤维被成功运用于大鼠和迷你猪模型的外科缝合。

此外，为了避免添加化学交联剂，Haynl等宣布了一种利用微流控技能制造不含任何交联剂的单根I型胶原蛋白微纤维（图6）。
他们设计出一个基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的微流控装置，该装置具有分层通道的几何形状，以使蛋白流周围的鞘流循环。
在聚乙二醇（PEG）存在和适当的pH值条件下，微纤维在交叉点形成并被挤压到水浴中，随后利用自动线轴进行牵引。
结果显示，流速对胶原蛋白纤维的力学性能有一定影响。
较高的流速可以制备力学性能更强的纤维，其拉伸强度为(383 ± 85) MPa，杨氏模量为(4138 ± 512) MPa，这大大超过了用GA交联或1-乙基-3-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺（EDC）/N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）交联生产的纤维。
此外，神经细胞NG108-15沿微纤维轴线的轴突成长揭示了这些纤维在周围神经修复中的潜在运用。

图6 通过微流控技能制造胶原蛋白和分离乳清蛋白（WPI）纤维及其力学性能的示意图。
（a）上图为一个微流控芯片与三个独立的注射泵相连，可以同时泵送pH值为3的胶原蛋白溶液（赤色）和pH值为8的两个含PEG的缓冲溶液（蓝色）。
微纤维被挤压到水浴中，由一个自动转轴抽出。
下图为胶原蛋白纤维的范例应变-应力曲线。
经American Chemical Society容许，转载自参考文献，© 2016。
（b）上图为用于纤维组装的双流聚焦装置示意图。
蛋白纳米原纤维（PNF）散体、去离子水和醋酸缓冲液（pH = 5.2）分别注入芯流、第一鞘流和第二鞘流。
下图为范例的应力-应变曲线，显示出相称脆的特性，杨氏模量约为288 MPa，延伸性约为1.5%。
经National Academy of Sciences容许，转载自参考文献，© 2017

（三）以乳清蛋白分离物为根本的纤维

最近，乳清蛋白分离物（WPI）被开拓为构建蛋白纤维的替代平台。
Kamada等宣布了一种自下而上的组装策略，通过微流控技能制造微纤维[图6（b）]。
他们利用双流聚焦微流控装置，在浓度为0.45%~1.8%、 pH值为5.2的条件下生产淀粉样蛋白纳米原纤维（PNF）。
结果显示，纤维排列程度较低的波折PNF产生了机器强度高的微纤维，其杨氏模量约为288 MPa，延伸性约为1.5%。
Kamada等设计出一种流动聚焦的微流控装置，用于从β-乳球蛋白中制造分级的蛋白质宏不雅观纤维，这种纤维可以自组装成纳米纤维。
利用β-乳球蛋白制备纺丝涂料溶液，与CaCl_{2交联剂溶液在连接处共流。
将PEG加入鞘流来制造本体纤维，然后从通道出口立即网络，制成宏不雅观纤维。
通过掌握鞘层流速，可以精确地掌握纤维的直径和力学性能。
特殊是，通过添加预制的纳米纤维和它们的排列，所纺纤维的杨氏模量和拉伸强度分别被进一步提高到(2.21 ± 0.4) GPa和(92.0 ± 28.0) MPa。}

表2总结并比较了通过微流控技能开拓的不同类型的蛋白纤维的力学性能。
比拟可知，微流控技能可以为制造高强高韧蛋白纤维供应一个强大的平台。
这样的通用策略不仅适用于再生丝蛋白和重组蛋白，而且也适用于其他常用蛋白。
特殊是自然界中广泛存在的蛋白，如鸡蛋卵白蛋白和牛奶酪蛋白，都可以通过微流控技能来制造坚固的蛋白纤维。
此外，与利用细胞毒性交联剂制造的蛋白纤维比较，通过微流控技能制造的蛋白纤维表现出良好的生物相容性。
微流控装置为制造低浓度蛋白纤维供应了很好的潜力，从而产生了具有更明显排列的无纺纤维。
然而，用微流控技能生产的蛋白纤维的力学性能仍旧不如天然蜘蛛丝纤维。
因此，须要更进一步研究纤维力学、通道大小和类型、流速、剪切力和分层蛋白质构造之间的关系。

表2 微流控技能制备蛋白纤维的比较

作为迅速崛起的材料之一，生态友好和坚固的蛋白纤维除了一些高科技运用外，还被广泛用于组织工程领域。
最近，通过微流控技能制造蛋白纤维取得了重大进展。
与其他纺丝技能比较，微流控技能在微尺度方面供应了方便和可控的操作，以生产连续的蛋白纤维。
同时，该方法具有分外的上风，包括本钱低，易于制造设计良好的构造，以及大略的后期处理。
此外，在利用微流控技能生产的纤维中灵巧地加入各种功能材料，为提高原纺纤维的力学性能供应了更多机会。
鉴于该技能的显著上风，微流控技能可以实现大规模制造具有多种功能的高机器强度的纤维材料。

只管通过精确掌握通道的大小和类型、流速和剪切力，可以在设计良好的微流控装置中产生机器强度高的蛋白纤维，但在纤维加工过程中仍存在一些不敷。
众所周知，蛋白构造在决定蛋白纤维的机器行为方面起着举足轻重的浸染。
然而，到目前为止，微流控芯片还不敷以在纳米尺度上有效掌握蛋白构造。
这种方法也缺少有效的策略来构建具有分层构造的蛋白质纤维，如芯壳型、多股型、螺旋型或詹纳斯型构造。
此外，在单个微流控芯片中整合单丝和旋转纺丝技能仍旧是个问题。
当然，设计多个通道以天生繁芜的蛋白纤维仍旧具有寻衅性。

设计一类不捐躯蛋白构造和取向的新型微流控技能，对付改进蛋白纤维的机器行为和功能是非常可取的。
为了进一步促进微流控技能在蛋白纤维制造中的运用，新的制造技能，如三维或四维印刷可以被整合到微流控芯片的设计中。
设计具有独特的刺激反应特色的微流控芯片同样也可以促进对所纺蛋白纤维力学特性的掌握。
因而，在制造具有各种定制特性、身分、构造和按需功能的蛋白纤维方面，前辈的微流控技能的发展将为生物纤维的实际运用铺平道路。

注：本文内容呈现略有调度，若需可查看原文。

改编原文：

Jing Sun, Jingsi Chen, Kai Liu, Hongbo Zeng.Mechanically Strong Proteinaceous Fibers: Engineered Fabrication by Microfluidics[J].Engineering,2021,7(5):615-623.