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【科技日报】一根细蚕丝“织出”功能纤维大产业

发布日期:2023-08-17

◎科技日报记者 张 晔


近日,从苏州大学现代丝绸国家工程实验室传来好消息。该实验室王晓沁教授研发团队在杭州临安建设完成占地3000平方米的丝蛋白生产基地和GMP标准化研发中心,不仅承担了丝蛋白基医疗器械的研发任务,还实现了大分子丝蛋白年产量10吨的批量生产。

从“一根桑蚕丝”到“一根化纤丝”,从“纤维”到“新材料”,作为国内纺织丝绸行业唯一的国家工程实验室,苏州大学现代丝绸国家工程实验室,面向国家战略需求,攻克行业关键技术难题,在创新中领跑,在探索中求变。

近年来,该实验室持续聚焦新型功能性纤维材料、新型生物医用材料、纤维材料绿色低碳制造、纤维材料数字化智能制造及检测体系四大方向,攻克了30多项产业关键技术,取得了一系列原创性突破。


材料科学开启纤维“新赛道”

不用打针、不用吃药,只要在皮肤上一贴就能让药物经皮下血管直达病灶……丝素蛋白智能微针经皮给药系统着实让人惊叹。

 “我们将蚕丝制成微针,借助丝素蛋白易提纯、可降解、天然无毒、无免疫原性等特点,实现经皮给药。”苏州大学卢神州教授说,蚕丝主要由丝胶蛋白和丝素蛋白组成,对人体友好,是制备微针的良好材料。

 “先把丝素蛋白做成溶液,经过结构调控,浇入微米级模具,干燥后就制成了微针。”卢神州介绍,在一个0.5平方厘米的贴片上,有225根微米级的细针,可以递送1毫克以上的药物,使用时就像使用创口贴一样简单。由于微针短而细小,不触及神经及血管,因此实现了无痛给药。与此同时,他们通过对丝素蛋白聚集态结构的有效控制,实现了药物的缓释。

蚕丝是集轻、柔、细于一体的天然纤维,在高科技的“塑造”下,如今它早已超越了纺织面料的传统用途,展现出在健康医疗、智能感知等领域的巨大应用前景。

苏州大学现代丝绸国家工程实验室方剑教授开发的智能纤维材料,将柔性纤维与传感器合二为一,能够准确监测人体的呼吸、心率以及运动幅度;李刚教授开发的医用蚕丝缝合线,搭载丝素蛋白的载药技术,可以长效抗菌抗炎,广泛应用于各种外科手术。

作为国际竞争的重点领域,先进功能性纤维在纤维材料产业体系中具有核心地位和关键价值。生物基纤维是可循环使用的绿色纤维,也是纤维产业的发展方向。此前,生物基PTT纤维技术一直被国外垄断。直到现代丝绸国家工程实验室与共建单位开发出具有自主知识产权的生物基PTT聚酯纤维成套生产技术,成为全球第二个拥有完整产业链的生物基纤维生产国,目前PTT及复合纤维产能已达50万吨。

近年来,实验室面向世界科技前沿,在纤维材料领域攻克10余项行业关键技术难题,诞生50项技术成果,获批200多项专利,成为我国现代丝绸产业最重要的技术开发平台和创新基地之一。  


高端科技实现纺织“绿而美”

地球上蝴蝶种类多达一万多种,蝴蝶翅膀具有令人叹为观止的精细结构和斑斓色彩,为研究生物材料提供了新思路。

 “我们模仿蝴蝶翅膀,设计了一种200-400纳米的微纳结构,简单来讲,就是一个个小球堆积成的结构,这种微纳结构可以与可见光产生相互作用,呈现出各种颜色。”苏州大学亚马逊人在线观看免费院长张克勤介绍。

基于这一原理,他们实现了在结构色纤维研发上的突破,研发出全球首个结构色纤维产品,让传统的丝绸展现绚丽夺目的结构色,并有望解决真丝印染过程中的污染难题。

 “未来我们会看到,这种通过结构色产生的隐身车衣,更进一步地丰富汽车涂料、汽车的颜色。”张克勤告诉记者。

高污染、高排放是长期以来阻碍纺织产业做大做强的“拦路虎”。随着 “双碳”目标的提出,国家对纺织产业绿色化发展的要求日益紧迫。

 “传统的印染以水为介质,印染废水含有大量的浆料、染料、表面活性剂、酸碱及盐等化学品,对生态环境造成了沉重负担。”苏州大学龙家杰教授介绍,为解决这个行业共性难题,他们组建了“超临界无水染整技术”研发团队。

经过近20年研发,他们攻克了关键核心技术,在国际上首次成功研制出织物超临界二氧化碳流体动态染色技术,解决了高品质无水染色的难题。

龙家杰介绍,超临界二氧化碳流体是一种绿色、生态、环境友好的介质,在染色加工过程中织物呈干燥状态,染色产品无须烘干及常规染后清洗。染色时也不用添加染色助剂,没有染色废水及其他废弃物产生,染后也不需任何化学方法处理,可彻底实现清洁、绿色、生态、环保化加工。

绿色是高质量发展的底色。目前,实验室针对纤维材料染色、着色等行业痛点,先后开发了超临界二氧化碳无水前处理、匹染、纤染及功能性后整理,以及光子晶体结构生色等20余项技术成果,助力我国纤维产业转型发展实现破局闯关、绿色蝶变。


基因改造助力纤丝“强而优”

1972年,长沙马王堆辛追夫人墓出土了一件素纱单衣,它薄如蝉翼,似云雾般轻柔,这件西汉时期纺织技术巅峰之作自然少不了蚕丝的参与。

如今,历经千年绵延不衰的蚕丝,在基因工程的加持下又有了新突破。苏州大学蚕桑研究所所长李兵教授利用12个家蚕种质资源,开展分子标记辅助育种,最终育成“苏秀春丰”新品种家蚕。

 “这个品种的家蚕吐出的蚕丝制备的生丝(20/22D)强度达到96.2cN(厘牛),比市场主流品种提升13%,是目前强度最大的蚕丝。”李兵说,蚕丝直径仅为头发丝的十分之一,为了提高纺织效率和丝绸质量,提高蚕丝强度显得尤为重要,“苏秀春丰”推广后,下游纺织厂的纺丝速度一下子提高10%,大大提升丝绸产品的竞争力。

中国是丝绸的发源地,丝绸产量占世界的80%。但是合成纤维问世后,面对不断变化的市场需求,以及天然蚕丝自身缺点,使得丝绸产业受到巨大冲击。

不过,蚕丝并没有因此退出历史舞台,基于蚕宝宝吐丝的灵感而衍生的新型纤维材料,在现代科技的加持下也创造出不是真丝似真丝的价值,充分弥补了蚕丝天然产量的不足,极大拓展了蚕丝的应用领域。

 “这件衣服摸上去有丝滑感,穿上去有亲肤感,水滴上去吸湿快散,汗沾上去瞬间无味。”苏州大学郑敏教授从包里掏出一套T恤短裤向记者介绍,她领衔的纳盾协同创新团队研发的多功能原位聚合化学纤维,从分子水平上将纳米活体矿石键入合成纤维大分子链中,破解了从纤维原料端实现多功能集成这一世界难题。

这项技术还在医疗领域也大放异彩,用该纤维制成的抗菌自修复医用敷料已进入山东第一医科大学第三附属医院预临床试验阶段,成为纺织、材料化学、医学等各学科交叉融合的结晶,已获国内国际发明专利48项。

走过数千年,蚕丝依然吸引着世人的目光,科学家也在这种古老天然产物中不断找到新灵感。最早开始驯化蚕的古人何曾想到,数千年后,蚕丝已成为散发着现代科学技术魅力的“新材料”。近年来,苏州大学现代丝绸国家工程实验室已成为国内丝绸行业最高学术研究中心,提高了丝绸和功能纤维产业的核心竞争力,实验室参与的国家、省级重大工程项目达40余项,带动间接经济效益110亿元。(记者 张晔)

来源:科技日报