来自 纺织皮革 2019-11-09 08:33 的文章
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乐白家:新仿生时代,新丝绸之路

人类第一次学会剥茧抽丝,利用生物材料纺线制衣,开创了一条连结东西方的丝绸之路。从天然纤维到“六大纶”等人工纤维,人们基于仿生原理,发明了无数种新纤维,编织出美好生活。而今,在纤维科技领域,科学家和工程师不曾停止对生灵万物的学习与借鉴。在这个新的仿生时代,将辟出一条新的丝绸之路。 更细、更强、更美 通常情况下,长度比直径大1000倍以上,且具有一定柔韧性和强力的纤细物质,就被称为“纤维”。 东华大学材料科学与工程学院院长朱美芳教授介绍,纤维其实是人类最早开始利用的天然材料之一,也是人类最伟大的发现之一,大大推动了人类文明进步。早在1万多年前的原始社会,我们祖先就开始利用棉、毛、丝、麻等天然纤维,之后逐渐发展出纺织技术。追溯到公元前3000多年,四大文明古国都有关于天然纤维使用和纺纱织布的记载。距今五六千年前,我国开始养蚕、取丝、织绸。从商代出土的文物可知,当时织造技术已使用多种真丝,丝绸生产初具规模。至汉唐盛世,横贯欧亚大陆的丝绸之路,将丝绸工艺传至波斯、阿拉伯、埃及,直至15世纪进入欧洲。 与天然纤维的悠长历史相比,化学纤维的历史相对很短。最着名的化纤莫过于世界上第一种合成纤维,美国杜邦公司将其命名为“尼龙”。1939年,杜邦公开销售尼龙长袜引发轰动,抢购场面之混乱,以至于警察出动才能维持秩序。 “像蛛丝一样细,像钢丝一样强,像绢丝一样美”,世人曾用这样的语句来赞誉尼龙纤维。尽管有点“过奖”,但这的确是人类对纺织纤维性能的一种期许,至今基本未变。 乐白家,丝来何处?桑蚕到蜘蛛 春蚕吐丝,为人驯化,蚕丝纤维成为一种源于生物质的原生纤维。如今,通过基因工程改质,这种取自大自然的纤维资源可实现超值应用。因为转基因已从“吃”到“穿”,进入纺织品领域——转入蜘蛛蛋白基因的桑蚕丝产品,纤细、柔软、亲肤性良好。 在国家生物工程重大项目支持下,我国于2003年完成第一张桑蚕基因组框架图,2008年又完成了桑蚕基因组精细图谱,桑蚕基因组测序为构建转基因桑蚕丝工程奠定了基础。东华大学副校长俞建勇院士介绍,目前转基因桑蚕丝就包括蜘蛛蛋白基因桑蚕丝、彩色桑蚕丝等。 例如,在桑蚕丝蛋白基因中嵌入部分源自蜘蛛包卵丝蛋白的基因,可使得桑蚕丝蛋白中含有一定量的蜘蛛包卵丝蛋白,改变并提升传统桑蚕丝性能。桑蚕丝本身也在改良改性,我国高等研究机构已培育出多种彩色桑蚕丝品种,2009年前主推了黄色品种,2009年以来已生产推出了黄、绿、红等颜色,来自丝绸之乡的高校院所正与企业联合推进彩色桑蚕丝及其应用项目的产业化。当然,现阶段彩色蚕丝仍面临色牢度不足的技术瓶颈,由基因工程赋予的五颜六色还不易耐久。 既然蚕丝已被用了几千年,“蜘蛛侠”身上的蛛丝有没有利用价值?据了解,蜘蛛丝具有强度高、弹性大、抗辐射、热稳定、耐疲劳、可降解等特性,也是一种优质的天然生物材料,在军工、航空航天、生物医药等领域具有巨大的潜在应用价值。但其应用基础,与蚕丝一样,在于认知和掌控其蛋白基因。 在蜘蛛丝蛋白基因研究领域,东华大学化工生物学院最近传出消息:孟清教授课题组历经6年攻关,取得重大进展。他们在世界上首次筛选获得了一种蜘蛛丝蛋白质全长基因,这种基因是蜘蛛用来编码它们的捕获丝的。 孟清介绍,蜘蛛丝纤维由基因编码的蛋白质组成,共有拖丝、捕获丝、鞭毛丝、包卵丝、包装丝、固着丝等6个品种。迄今,世界上只有美国加州大学课题组克隆获得了其中的拖丝蛋白全长基因,而中国此次取得的科研成果填补了又一种克隆基因的空白。 据悉,东华课题组已利用蛋白质剪接技术,建立起高效表达蛋白质的连接系统,实现了蜘蛛丝蛋白的体外合成。同时,他们通过静电纺和水纺技术,初步获得了基因工程仿生蜘蛛丝纤维。这项成果有助于进一步解析蜘蛛丝蛋白的结构和功能,探索其成丝机理,并制备优良的仿生蛛丝纤维。 海中寻找“新丝路” 为人类所用的纤维来源正从陆地拓展至海洋。同为生物质纤维,蚕丝、蛛丝都是生物质原生纤维,而来自海中的海洋生物质纤维,则属于生物质再生纤维。 你可能想不到,这种纤维以藻类与虾蟹等水产品外壳为原料。其具体来源很多,包括海洋动物纤维,如甲壳素纤维、甲壳素衍生物纤维;以及海洋植物纤维,如海藻酸盐纤维、卡拉胶纤维、琼胶纤维等。 俞建勇院士认为,这类生物纤维既不依赖石油等化学工业,又不在栽培养殖中与粮食争地,开辟了纤维材料的第三种原料来源,符合纤维材料绿色、环保的发展趋势。同时,它们可以赋予纤维以特殊性能,如“壳聚糖纤维”具有天然的抑菌性、生物活性、吸附性,其纯纺抑菌率达99%以上,混纺则达75%,每克壳聚糖纤维可吸附约66.6毫克甲醛。另外一例,如海藻酸纤维,天然具备阻燃性和防辐射功能,可变废为宝、化害为利。 专家认为,壳聚糖纤维是世上少有的天然具备无毒、防霉、抗菌、阻燃、抗静电五大功能的纤维品种。在纺织服装领域,壳聚糖纤维特别适合做床上用品、内衣、袜子、毛巾等亲肤性产品。它还可用于医用纺织品、放射物质的屏障用布、从事核工业人员的劳动防护用品,甚至可成为烟草工业的烟草过滤嘴材料,以及用作净水器和特别用途的空气过滤器材料等。 产业化方面,生产壳聚糖纤维的主要原料是壳聚糖,也就是甲壳素脱去乙酰基之后的产物,而甲壳素就部分来自常见的虾皮蟹壳。目前,我国企业壳聚糖纤维等生物质纤维已突破关键技术,并具备工业化产能基础,总体技术水平达到国际领先。同样,基于海洋藻类的百吨级海藻酸盐纤维生产装置也在企业试车成功,相关产品已推向市场。 据规划,到2015年,我国生物质化学纤维及其原料产量将由2012年的300万吨提高到510万吨,年均增长17%,总产值可逾千亿元规模。

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