工程14（2022）100研究绿色化工：软物质源于自然的纺丝：高性能生物基纤维的工程化制备与应用徐宗璞a，b，吴明瑞a，叶琪c，陈东d，刘凯e，刘伟，白浩a，刘伟a浙江大学化学与生物工程学院化学工程国家重点实验室，浙江杭州310027b浙江大学动物科学学院应用生物资源研究所，浙江杭州310058c浙江大学控制科学与工程学院工业控制技术国家重点实验室，浙江杭州310027d浙江大学能源工程学院过程装备研究所，浙江杭州310027e中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室，长春130022阿提奇莱因福奥文章历史记录：2020年5月30日收到2021年4月2日修订2021年6月8日接受2022年5月28日网上发售保留字：生物基纤维层次结构仿生纺丝强化策略纤维应用A B S T R A C T许多天然纤维重量轻，并显示出显着的强度和韧性。这些性能源于纤维的分级结构，从分子到宏观尺度组装。生产这种纤维的天然纺纱系统具有很高的能源效率，激励研究人员模仿这些过程，以实现强大的人工纺纱。近年来，高性能生物基纤维的制备取得了重大进展。除了优异的机械性能外，生物基纤维还可以具有一系列新的功能，从而扩展其在智能纺织品，电子传感器和生物医学工程中的复杂应用。在这里，生物基纤维的建设的最新进展进行了概述。讨论了各种仿生纺丝方法，机械强度高的纤维的增强策略，以及这些纤维的各种应用此外，在再现自然系统的力学性能和理解其动态纺纱过程中的挑战最后对生物纤维的发展前景进行了展望。©2022 The Bottoms.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍高性能生物基纤维在许多领域都有应用前景，包括纺织工业、建筑装饰、汽车制造和生物医学工程[1在延续至今的漫长历史时期内，人类已经直接从自然界获得纤维，包括动物纤维（例如，丝，羊毛）和植物纤维（例如，木材、棉花和亚麻）。这种纤维重量轻，强度高，生物相容性好，可持续[10例如，蚕纤维在中国作为纺织品的基础已有5000多年的历史，而第一种全合成纤维尼龙则是在20世纪30年代发明的。更令人惊讶的是，丝纤维显示出无与伦比的机械性能，其韧性优于钢、碳纤维和任何合成聚合物纤维（表1）[12，14天然纤维的特性吸引了科学家和工程师，*通讯作者。电子邮件地址：chen_dong@zju.edu.cn（D.Chen），kai. ciac.ac.cn（K.Liu），hbai@zju.edu.cn（H. Bai）。探索纤维结构与力学之间的关系，并向大自然学习以制备高性能纤维[2，16]。与许多其他轻质和坚固的生物材料（如珍珠层和骨）一样，天然纤维显示出从分子到宏观尺度组装的分层结构[10，20，21]。作为基本成分，动物纤维中的蛋白质分子或植物纤维中的纤维素分子形成聚集状态，然后组装成纳米原纤，纳米原纤进一步聚集成宏观尺度的纤维（图1）[11]。天然纤维通常结合了硬域和软域，如蜘蛛丝的情况，其中内部b-结晶区域决定强度，非晶区域决定韧性。天然纤维除了具有优良的机械性能外，还具有多种功能。例如，蜘蛛丝网可以实现水收集，这是由于其周期性纺锤结和关节的拓扑结构[22]，而北极熊中空毛纤维的出色隔热性经过长期的演变，天然纤维在结构和功能方面得到了优化，尽管它们通常具有非常https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.06.0302095-8099/©2022 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engZ. Xu，M.吴角，澳-地Ye et al.工程14（2022）100101表1天然和合成纤维的机械性能[12，14纤维密度（g/cm-3）强度（MPa）模量（GPa）伸长率（%）韧性（MJ·m-3）天然纤维蜘蛛丝1.30900–140010–1230–60160–240桑蚕丝1.30300–6005–1010–2570柞蚕丝1.30500–7005–1030–45150亚麻1.40800–150060–801.2-1.67–14剑麻1.33600–700382–3-棉花1.51400123–10-木质纤维素纤维1.50553–130015.4-27.53–7-羊毛，100% RH1.302000.55060合成纤维Kevlar49纤维1.4436001302.750硅橡胶0.98500.001850100尼龙纤维1.1495018580碳纤维1.803000–4000230–5500.7-1.925无机纤维高强度钢7.821650190–2100.86e-玻璃纤维2.502000–350070–852.5-5.340–50RH：相对湿度。图1.一、（ a）蜘蛛丝和（b）木材中纳米原纤维的分级结构。复制自Ref。[11]许可。有限数量的组件（即，蛋白质或多糖）[20，24]。因此，自然界提供了有价值的和可行的策略，通过操纵多尺度结构来创造功能材料[25]。此外，与在制备过程中需要高温和高压的合成纤维相比，蚕丝纤维是在环境温度下从水溶液中生产的，这表明了天然纺丝系统的节能优势[26，27]。从自然界中学习，研究人员通过模仿天然纤维的结构和复制天然纺丝过程开发了许多机械强度高的生物基纤维此外，这些纤维可以被功能化以实现增强的热、磁、光、电和生物功能，进一步扩展其在智能纺织品、电子传感器和生物医学工程中的应用[29，30]。本文综述了近年来高性能生物基纤维的制备和应用研究进展。从简单介绍自然纺丝过程开始，我们介绍了各种生物纺丝方法，包括湿纺、干纺、微流体纺丝和界面拉丝。我们接下来讨论增强策略以改善纤维然后，我们举例说明了功能纤维，已通过结构操纵或纳米材料的掺入，并描述其潜在的应用。我们还提出了目前在这一领域的限制和挑战，并提供了高性能纤维的发展前景。2. 仿生纺纱方法蜘蛛和蚕可以通过其精细而高效的纺丝系统生产机械强度高的丝纤维，其中纺丝原液经历化学和物理变化[26，31，32]。丝蛋白溶液的浓度沿着腺体增加，同时pH值降低和阳离子（Ca2+和K+）的变化[33]。同时，纺丝导管逐渐改变的形状为丝分子提供剪切力和拉伸力，从而促进其构象转变[34]。最后，丝纤维被蜘蛛的腿或蚕的头部运动拉出，然后在空气中固化。丝纤维的机械性能可能受到纺纱条件的影响;例如，通过较快的人工缫丝速度生产的家蚕蛾（家蚕）的丝比通过较慢的自然缫丝速度生产的丝更强但更脆[27]。受自然纺丝工艺的启发，开发了各种溶剂型纺丝方法，包括湿法纺丝、干法纺丝、微流体纺丝和界面拉丝（图2）。此外，一种非溶剂基方法，熔融纺丝，作为一种有效的方法来生产生物基纤维，其来源于具有高碳含量的生物资源，如木质素[35，36]。在本节中，我们主要集中在上述溶剂纺丝方法，简要讨论其工作原理，并提供了一些相关的插图。Z. Xu，M.吴角，澳-地Ye et al.工程14（2022）100102图二. 仿生纺纱方法的示意图。(a)蚕和蜘蛛纺制天然丝的示意图;（b）各种生物启发的纺纱方法，包括湿纺、干纺、微流体纺纱和界面拉丝。2.1. 湿法纺丝在湿法纺丝工艺中，预溶解的纺丝原液被挤出到纺丝浴中;然后通过溶剂之间的双扩散效应固化通过选择合适的溶剂和相应的凝固剂，纺丝原液可以在合适的挤出速度下形成纤维。对于纺丝，将丝心蛋白溶解在有机溶剂如1，1，1，3，3，3-六氟-2-丙醇（HFIP）、三氟乙酸（TFA）或甲酸中，并且通常选择醇（甲醇、乙醇、异丙醇）作为匹配的凝固剂[37-相比之下，丝水溶液/硫酸铵组合是更好的替代品，因为其固化速率相对适中[41，42]。湿纺中的另一个必要步骤是后拉伸，其可以促进构象转变并增加分子的排列，从而显著改善所得纤维的机械性能[28]。比如周等人[41]构建了一个小规模的工业湿法纺丝装置，并从蚕丝水溶液/硫酸铵体系中制备了直径均匀、表面光滑的蚕丝纤维（图3（a））。此外，在后拉伸6次后获得的纤维显示出450MPa的断裂应力和27.7%的断裂应变，使得它们比天然茧丝更强和更坚韧2.2. 干纺在干法纺丝工艺中，纺丝原液直接注入空气中，随着挥发性溶剂的蒸发而固化成纤维，这与自然纺丝工艺相当相似人造丝干法纺丝在2011年首次报道，并且通常需要相对高浓度的丝心蛋白（> 20重量%）[43，44]。Sun等人[45]开发定制毛细管干纺设备，直接在空气中制备蚕丝纤维从50重量%的丝水溶液。与湿法纺丝一样，干法纺丝需要后拉伸。经过四次后拉伸后，蚕丝纤维的断裂应力从45.7 MPa增加到326.7MPa，但仍低于茧丝。除了模仿自然干纺纱过程，凌等。[46]制备的纤维保留了天然丝绸的层次结构（图11）。 3（b））。选择部分溶解的丝微纤维溶液作为纺丝原液，该溶液显示类似于丝腺中的丝蛋白的液晶样质地。这些微原纤维能够沿着剪切方向流动和排列，以融合在一起成为长纤维，这允许容易地手工卷绕。由于这种纤维保持了天然丝的结构层次，其杨氏同样受到液晶蛋白质自然形成丝的启发等人[47]通过直接拉伸近晶工程蛋白质凝胶获得连续纤维。凝胶纤维的力学性能可以通过基因调控蛋白质骨架的电荷密度来调控，从而为生物聚合物纤维的可编程设计提供了极大的可能性。2.3. 微流体纺丝微流体技术提供了小型化的通道，以实现从单个流体到纤维形成的精确控制，并且可以模仿自然纺丝系统中的流体动力学原理[48在该过程中，纺丝原液通过同轴通道挤出到剪切流体中，并且在它们的界面处发生扩散。内纺丝液保持层流，并可通过聚合、交联或溶剂变化原位固化成纤维。以海藻酸钠为内相，氯化钙为外流，制备了一系列具有理想特性的水凝胶纤维。例如，通过调整微流体通道设计，Cheng等人[49]和Yu等人[51]获得了具有不同形态的藻酸盐纤维，包括Z. Xu，M.吴角，澳-地Ye et al.工程14（2022）100103多室和中空纤维，以及弹簧状螺旋纤维。除了水凝胶纤维，微流体是制备机械强度强的纤维的有用工具[54Mittal等人[56]报道了一种流动辅助技术，通过微流体将纤维素纳米原纤维组织成宏观纤维纺丝（图3（c））。将带电荷的纤维素纳米纤丝悬浮液注入芯通道中，然后依次被去离子水和低pH酸的两个鞘流包围。在芯流中，纤维素纳米原纤表现出较差的排列，这是由于布朗运动和由原纤表面上的羧基引起的静电排斥。第一股去离子水支持静电排斥，并使纤维素纳米纤丝在流动方向上排列;在这种排列丧失之前，第二股酸扩散到分散体中，并引发凝胶转变，从而锁定纤维素纳米纤丝的良好组织结构。所得纤维具有纤维素纳米原纤维的几乎完美的单向排列;因此，它们具有良好的生物相容性。杨氏2.4. 接口拉丝界面拉丝使用具有相反电荷的组分之间的静电相互作用：在它们的界面处的拉动过程诱导分子沿纤维轴的取向[57Zou和Kim[57]发现氧化石墨烯和壳聚糖产生了强烈的相互作用，因此他们将氧化石墨烯纳米片悬浮液与壳聚糖溶液混合，并通过简单地将混合物在空气中向上拉动将其组装成长纤维。在另一项研究中，Grande et al.[58]将一滴脱乙酰壳多糖溶液和一滴纤维素淀粉悬浮液置于平板上，使两种液体横向接触（图3（d））。壳聚糖在酸性水溶液中溶解后，其伯氨基发生质子化，而纤维素纳米纤维表面则被羧基修饰。图三. 通过不同纺丝方法制备的生物基纤维的说明。 (a)湿法纺丝制备蚕丝纤维：（i）小型装置示意图（1：氮气瓶; 2：压力调节器; 3：纺丝原液储存缸; 4：纺丝原液; 5：挤出模头;6：加热的凝固浴; 7：拉伸辊; 8：卷取辊; rpm：每分钟转数）;（ii）光泽丝纤维的光学照片;（iii）扫描电子显微镜（SEM）图像，显示丝纤维的光滑表面和圆形横截面。（b）通过干法纺丝制备丝纤维：（i）显示手工卷绕过程的光学照片;（ii）初生纤维的偏振图像;（iii，iv）显示由取向丝微纤丝构成的纤维的SEM图像（比例尺对于（ii）为100μm，对于（iii）和（iv）为20μm，对于插图为2μ(c)通过流动辅助的微流体纺丝制备纤维素纤维：（i）在通道中流动的纤维素纳米原纤维的示意图;（ii，iii）显示纳米原纤维的良好排列的SEM图像（对于（ii）和（iii），比例尺为3μ πι，对于插图，比例尺为400 nm）。(d)通过界面拉丝制备纤维素纤维/壳聚糖纤维：（i，ii）从纤维素纤维悬浮液（澄清液体）和壳聚糖溶液（浑浊液体）的界面轻轻拉动粘性线的光学照片;（iii，iv）显示沿纤维方向排列的原纤维的SEM图像。(a)[41]经许可，转载自参考文献[46];经许可，转载自参考文献[46]。”[56]《礼记》云：“礼者，礼也。[58]第58话许可Z. Xu，M.吴角，澳-地Ye et al.工程14（2022）100104~由于阳离子大分子和阴离子纳米纤维之间的络合作用，复合纤维可以从液滴界面连续拉伸。拉伸过程确保了被壳聚糖包围的纤维素纳米纤维的非常好的对齐，这赋予了致密纤维约22 GPa的非常高的拉伸模量。3. 机械强度高的纤维许多天然纤维显示出显着的机械性能，这源于纤维的构建块以多种尺度组装和排列的方式[20]。在动植物纤维中，分子链或原纤的取向对纤维的力学性能有重要影响例如，亚麻和剑麻具有相似的纤维素和半纤维素含量，但亚麻显示出比剑麻更高的强度和刚度，主要是由于亚麻的纤维轴方向的原纤角（8°-11°）比剑麻（20°）低[12] -这一发现为制备机械强度高的纤维提供了有价值的天然纤维中的纳米原纤通常通过氢键紧密连接[10，60];因此，通过物理或化学交联增强原纤间相互作用将显著改善纤维作为另一个实例，木材是由纤维素、半纤维素和木质素组成的三组分生物材料。这三种组分的有机结合表明，天然结合策略是生产强力纤维的有效手段在本节中，我们简要总结了天然纤维的主要增强机制（表2）[10，12，20，60]，并讨论了基于这些机制的各种人工策略，包括后拉伸、加捻、交联和掺入填料（图4）[56，61这些策略可以单独使用或一起使用，从纺丝原液的制备到初生纤维的后处理。3.1. 后拉伸正如在关于纺丝方法的讨论中所提到的，后拉伸在生产机械强度高的纤维中起着重要作用，因为它可以促进分子沿纤维轴的取向[43，64，65]。由于卷曲分子链的无序性，湿法或干法纺制的初生丝纤维一般强度较差，但延伸性较好。在拉伸过程中，分子链沿轴向被拉伸和排列，这可以增加分子间的相互作用和纤维的结晶度。Zhang等人[65]通过湿法纺丝制备蚕丝纤维。初生纤维的杨氏模量为3.9GPa，强度为95.1MPa。在拉伸纤维四次之后，这些值显著增加到6.9GPa和470.4兆帕。X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）结果表明，蚕丝的无定形结构已转变为蚕丝II结构，拉曼光谱（Raman）结果表明，光谱变化揭示了蛋白质链排列的增加。在另一项研究中，随着拉伸比的增加，蚕丝纤维的拉伸强度也从低于100 MPa提高到420 MPa（图4（b））[61]。后拉伸可以显著减小纤维直径，这可能有助于减少缺陷和结构致密化。但是，过大的拉伸倍数会导致纤维意外断裂，因此应将拉伸倍数控制在合理的范围内，以达到最佳效果。3.2. 扭转在纤维和绳索制造的漫长历史中，加捻一直被用作生产机械强度高的纺织品和绳索的简单而有用的方法。短纤维，如棉纤维，可以合成具有一定强度的连续纱线通过加捻，长纤维如丝可以形成具有致密结构的强力纱线;这两种工艺在纺织工业中都是非常成熟的技术。Kamada等人模仿这一过程。[62]通过将两个单纤维缠绕在一起形成紧密的组合，制备了基于蛋白质纳米原纤维的坚固而坚韧的纤维（图4（c））。纤维素纳米纤维由于其非凡的机械性能也是用于强纤维的有前景的构建块;然而，它们的不良排列以及它们之间的边界和空隙通常导致从纳米尺度到宏观尺度的转变中的力学的显著损失[21，66Wang等人[69]报道了通过拉伸和扭转由细菌纤维素纳米纤维的直接组装产生超强和超硬纤维。这两个步骤不仅实现了纤维素纳米纤维的良好排列，而且减少了丝间孔隙并诱导了强的丝间氢键。所得纤维的杨氏比抗拉强度高达598 MPa·cm3·g-1，大大超过了轻质钢的比抗拉强度（227MPa·cm3·g-1）。3.3. 交联纤维的结构单元之间的相互作用可以通过离子或共价键交联来加强，这可以有效地提高纤维的机械性能[70，71]。Yao等人[71]使用Fe3+离子交联纤维素纤维，纤维表面上的羧基与金属离子形成金属羧酸盐键。杨氏模量和拉伸模量强度增加从16.4GPA和248.6MPa至22.9 GPa和357.5 MPa，分别作为较强的内部和纤维间的相互作用的结果。在另一项研究中，1，2，3，4-丁烷四羧酸（BTCA）用于通过在纤维素纳米原纤维之间产生桥来交联纤维素纤维，在一定程度上复制天然植物纤维中纤维素和半纤维素/木质素之间的相互作用[56]。纤维的拉伸强度增加从关于1200到1570 MPa共价后表2天然纤维的纺纱方法和增强机理[10，12，20，60]。纤维纺纱/生产方法主导强化机制动物纤维蜘蛛丝干纺沿纤维轴方向排列整齐的原纤，原纤间相互作用强桑蚕丝干纺原纤沿纤维轴向取向良好，原纤间相互作用头发自然生长层次结构，多成分组合羊毛自然生长层次结构，多组分组合植物纤维亚麻自然生长分层结构，纤维间相互作用分级结构，纤维间相互作用棉花自然生长层次结构，纤维间相互作用木材自然生长多组分组合，纤维间强相互作用Z. Xu，M.吴角，澳-地Ye et al.工程14（2022）100105~图四、生物基纤维的强化策略。（a）各种增强策略的示意图，包括后拉伸、加捻、交联和掺入填料。(b)丝纤维（i）未拉伸和（ii-iv）具有不同拉伸比（ii）2、（iii）6和（iv）9的应力-应变曲线。(c) Stress–strain curves of single and twisted （d）（e）(b)[61]经许可转载自参考文献[62];经许可转载自参考文献[63];经许可转载自参考文献[64]”[56]《礼记》云：“礼者，礼也。[63]I'm sorry.交联（图4（d）），实现了创纪录的高纤维素基纤维。交联也是蛋白质纤维机械增强的有效策略。最近，He等人[72]、Zhang等人[73]和Li等人[74]通过引入戊二醛（GA）交联，从广泛可用的蛋白质和重组嵌合蛋白质开发了一系列机械强度强的纤维。例如，牛血清白蛋白（BSA）由于其固有的结构缺陷通常不被认为是纤维生产的良好候选物;然而，BSA分子的网络在与GA交联后变得高度缩合.与原始BSA纤维相比，双GA交联BSA纤维的断裂强度和韧性从仅约14MPa和约10MPa显著提高。分别为0.17MJ·m-3至130 MPa和143MJ·m-3[72]。GA是一种常见的蛋白质交联剂，所以它也被用来增强纤维基于由鱿鱼环齿（SRT）片段和阳离子弹性蛋白样多肽（ELP）序列组成的重组嵌合蛋白（图5）[74]。如在上述研究中，GA交联导致在SRT-ELP分子之间形成亚胺键，从而增强了它们的生物相容性。交互.断裂36 mer SRT ELP纤维的强度和韧性纤维优于许多重组蜘蛛丝，甚至与天然蜘蛛丝相当。3.4. 乳化填料纳米材料通常可以作为复合材料中的增强填料，因为它们具有大的表面积和突出的固有特性[75-77]，这同样适用于生物基纤维中的纳米材料填料。其中，碳纳米管[61]、纳米矿物[78]和氧化石墨烯[63，79]已被添加到纺丝原液中，目的是获得更强和更坚韧的纤维。由于纳米材料与丝蛋白之间通过配位络合物或分子间作用力的相互作用，增强了复合纤维的力学性能，这种效果受到填料含量和纺丝方法的影响。例如，Zhang等人[63]通过干纺制备了掺入氧化石墨烯的当填料含量为0.1wt%时，纤维的断裂强度为435.5MPa，明显高于真丝纤维（252 MPa）（图4（e））。在另一项研究中，湿纺丝纤维的断裂强度从无填料的439 MPa增加到含0.3重量%氧化石墨烯填料的697MPa[79]。除了人工纺纱，含有填充物的蚕丝纤维可以直接由用纳米材料喂养的蚕生产[80在这个过程中，纳米颗粒分散体通常被喷洒到桑叶上，然后被蚕幼虫吃掉。虽然大部分的这种饮食被消化和排泄，一小部分的纳米材料仍然被纳入丝纤维，这已经通过元素或光谱分析证实。由于丝素蛋白和纳米材料经过自然纺丝过程，因此可以产生更强的相互作用[85]。Wang等人[85]的一项研究表明，茧丝的断裂强度显著提高-从正常饮食的360 MPa提高到含有0.2wt%碳纳米管的饮食的570 MPa和含有0.2wt%石墨烯的饮食的590 MPa。更重要的是，这种进料过程易于处理和放大，从而为通过充分利用天然纺丝系统来生产机械强度高的丝纤维铺平了新的道路。4. 生物基纤维几千年来，人们直接利用天然纤维制造纺织品、缝合线和建筑材料。随着工业的发展和技术的进步，各种高性能合成纤维相继问世，其中大部分是石油化工产品。考虑到资源可持续性和环境问题[86，87]，生物基纤维越来越受到关注。它们重量轻，机械强度高，生物相容性好，并且可以通过结构操纵或纳米材料掺入的方式功能化一系列新的特征，这大大扩展了它们的应用。此外，由于其碳骨架，一些生物基纤维可以被掺入高质量的碳纤维。例如，Xia et al.[35]和Ouyang et al.[36]是第一个通过湿法纺丝预处理基于改性木质素的连续前体纤维在另一项研究中，王Z. Xu，M.吴角，澳-地Ye et al.工程14（2022）100106图五. 高强高韧非蜘蛛嵌合蛋白纤维的制备。(a)由SRT蛋白片段和阳离子ELP序列组成的重组蛋白的构建和表达的示意图（E.大肠杆菌：大肠杆菌）。(b)通过湿法纺丝制备SRT-ELP纤维的示意图。(c)通过GA交联和后拉伸处理形成SRT-ELP纤维的示意图（d）通过纤维的二硫键的SRT-ELP嵌合体二聚化的示意图（e）（f）蜘蛛图，其表示由Cys-36聚体嵌合体形成的SRT-ELP纤维的机械性能演变复制自Ref。[74]I'm sorry.等[88]在惰性气氛下通过热处理直接将丝纤维包裹，然后制造具有良好导电性和高灵敏度的可穿戴应变传感器。在本节中，我们将说明生物基纤维在增强热、磁、光、电和生物功能方面的潜在应用。4.1. 热功能已经报道了使用具有优异机械性能的生物基纤维作为纱线[66，70]，包括纤维素纤维的加捻和染色，如图6（a）所示。然而，生物基纤维由于其固有性质而通常表现出高可燃性，这严重限制了其在某些领域的应用[89，90]。Nechyporchuk等人[91]通过在纤维素纤维上涂覆二氧化硅纳米颗粒的外壳来制备阻燃纤维素纤维（图6（b））。当用火直接燃烧时，纯纤维素纤维只能保持0.3s不燃烧，而二氧化硅/纤维素纤维保持4.21s不燃烧。二氧化硅壳通过充当热传递的屏障提供了良好的热屏蔽，这对于保护内部纤维素是重要的。有效的隔热对于寒冷环境中的个人热管理非常重要[92受北极熊毛发中空结构的启发，我们最近开发了一种所得纤维具有排列有序的多孔结构（图6（c）），并且可以通过选择不同的冷冻温度来调节孔径，因为温度与热性能密切相关当纺织纤维具有更小的孔和更多的层时，平台和纤维表面之间的绝对温差变得更大，表明通过结构设计通过耗散被动保暖的能力更好穿着仿生多孔纺织品的兔子在红外摄像机下几乎看不见，因为它的表面温度变得非常接近背景温度，使得实现热隐身成为可能（图1）。 6（d））。此外，当掺杂有碳纳米管时，纺织品能够主动电热以诱导快速热响应（图1A和1B）。 6（e）和（f））。更重要的是，用仿生纤维编织的纺织品显示出良好的穿着性能和透气性，表明其作为一种智能和多功能的个人热管理材料的巨大潜力Z. Xu，M.吴角，澳-地Ye et al.工程14（2022）100107图六、纺 织 用具有优异热功能的生物基纤维的示例。（a）强力的细菌纤维素纤维可以制成纱线，并且很容易染成蓝色。(b)用二氧化硅纳米粒子包覆纤维素纤维可用作阻燃材料。（c-f）受北极熊毛发启发的隔热丝纺织品：（c）多孔仿生纤维的SEM和X射线计算机显微断层扫描图像，显示了沿轴向方向排列的层状孔;（d）兔子在穿戴不同纺织品之前和期间的光学照片和红外图像，证明了仿生多孔纺织品的优异的热隐身功能;（e）结合碳纳米管（CNTs）的多孔仿生丝织物的光学照片和SEM图像;（f）电热过程中碳纳米管和丝织物的红外图像，表明材料的快速和主动热响应能力。(a)[2019 - 07 - 15][2019 - 07 - 15][2019 - 07][2019 - 07 - 15][2019 -09][2019 - 07 - 15][2019 - 09][2019 - 07 - 05][2019 - 07 - 05][2019 - 05][2019 - 07 - 05][2019 - 07 - 05][2019 - 07 - 05][2019 - 07 - 05][2019 - 05][2019 - 07 - 05][2019 - 05][2019- 05][2019 - 05]][2019 - 05][2019 - 05][2019 - 05][2019 - 05]][2019 - 054.2. 磁、光、电功能磁性纤维可以通过在纤维内掺入磁性组分来产生，从而允许纤维显示刺激响应行为。He等人[96]通过微流控纺丝制备具有蜘蛛丝状结构的海藻酸纤维;通过溶剂蒸发产生含有磁性Fe3 O4纳米颗粒的纺锤结梭结的大小和它们之间的这些功能化纤维表现出优异的刺激触发响应，因为它们可以随着外部磁场的旋转定向移动（图7（a））。此外，这些纤维还可以在磁场的引导下形成图案，并根据磁性阵列组装成各种结构，这表明它们作为智能刺激响应材料具有潜在的荧光丝基材料已应用于生物医学工程、光学和光子学[97，98]。一般来说，荧光蚕丝纤维可以通过蚕的基因修饰或通过染色处理来生产[99，100]。然而，将转基因转移到下一代仍然是一个问题，而死亡往往导致不稳定的荧光。因此，获得既具有良好的力学性能又具有高度稳定的荧光性的荧光丝纤维成为一个重要的课题。Cheng等[101]用CdSe/ZnS核壳量子点直接喂养家蚕幼虫，由于量子点的增强作用，与普通蚕丝或荧光染色蚕丝相比，所得纤维具有更好的机械强度和韧性更重要的是，即使在水中浸泡720小时后，发光丝纤维也表现出良好的荧光稳定性（图11）。 7（b））。近年来，可穿戴电子产品因其在信号传感和健康监测方面的广泛应用而受到越来越多的关注[102，103]。由于其良好的柔韧性和可延展性，生物基纺织纤维已成为该领域有前途的基础材料[46，104]。Ling等[46]首先通过干法纺丝制备丝纤维所获得的导电丝纤维对湿度和温度变化的反应非常迅速;它们可以被编织成一种智能织物形式的面具，以监测触摸和呼吸（图7（c））。Qi等人[105]也使用碳纳米管作为制造功能性纤维素纤维的活性组分。根据扫描电子显微镜（SEM）观察发现，碳纳米管在纤维素基体中分散良好，而不是留在纤维表面，从而促进了导电网络的形成。这种纤维的电阻可以在外部刺激下改变，包括拉伸应变、温度和环境湿度;因此，它们有可能用于设计各种传感器以感知身体运动或监测身体汗液。4.3. 生物学功能生物基纤维的突出优点之一是其在体外和体内的良好生物相容性，这在生物医学中很重要[7，50，106例如，由于胶原蛋白本身的低免疫原性，微流体纺丝的胶原蛋白微纤维表现出良好的细胞相容性，并且良好取向的纤维能够引导神经元细胞沿着纤维轴迁移（图8（a））。轴突长到100μ m长，并沿纤维方向排列，表明了潜在的Z. Xu，M.吴角，澳-地Ye et al.工程14（2022）100108图7.第一次会议。生 物 基纤维具有优异的磁、光和电功能，可用于各种应用。（a）磁性藻酸盐纤维可用作刺激响应材料：（i-iv）具有磁性油芯和经由磁性阵列构建的3D纺织品样图案的水合纤维的光学照片;（v，vi）纤维的磁性操纵的示意图和照片（比例尺对于（i）和（vi）为lcm，对于（ii）和（iv）为（b）掺入有CdSe/ZnS量子点的丝可用作荧光纤维：（i）茧丝纤维的SEM图像;（ii，iii）在水中浸泡0和720小时后丝纤维的光致发光图像;（iv）“THU”标志的荧光图像（c）具有壁碳纳米管（WCNT）涂层的再生丝纤维可用作可穿戴传感器：（i，ii）导电核-壳纤维的示意图和光学照片(iv)呼吸了（a）复制自Ref。[96]第96章：被人欺负了[101]（注：原文如此）[46]第46话许可神经纤维在周围神经修复中的应用[109]除了直纤维外，异形纤维也可以用于生物医学。具有明胶甲基丙烯酸酯纺锤结的藻酸盐微纤维能够用作细胞载体（图1B）。 8（b）），因为可以调整结以适应细胞尺寸并促进细胞粘附和生长[110]。这种类似弹簧的螺旋状海藻酸纤维能够在外界刺激下被拉伸，因此它可以作为心肌细胞的机械传感器当连接到接种有心肌细胞的弹性水凝胶膜上时，纤维在心肌细胞跳动后经历了伸长和收缩的循环（图1）。 8（c））。螺旋纤维的转化周期频率与心肌细胞的搏动频率相对应心肌细胞的机械行为可以通过纤维螺距的变化来估计，这可能有助于直观地监测心肌细胞的实时生物活性[51]。细菌感染是生物医学应用中的另一个严重问题壳聚糖作为一种具有内在抗菌活性的生物高分子，不仅可以用作抗菌涂料，还可以制成抗菌纤维。Wang等人[111]报道了通过微流体纺丝生产的基于壳聚糖的水凝胶纤维（图1）。 8（d））;他们发现纤维对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌都表现出良好的体外抗菌活性，特别是当与Zn 2+结合时。此外，生物基纤维可以在体内用于生物医学应用。例如，当使用对于伤口缝合[59]，根据染色切片，缝线在两周后保持其有效的组织结扎能力，并且没有观察到感染更有趣的是，由于功能蛋白与肝素的高亲和力，该复合纤维可以结合腺相关病毒（AAV），实现AAV介导的局部基因递送，从而进一步扩展了纤维Zhang等人[73]制备了藻酸盐/BSA复合纤维，其也用作外科缝线。 如图如图8（e）所示，藻酸盐/BSA缝合线闭合大鼠腹部和肝脏上的伤口切口而没有断裂，表明其具有良好的力学和生物相容性。5. 结论和前景大自然不仅提供了丰富的资源，而且为创造高性能纤维提供了大量灵感。[2019 - 05 - 25]【2019 -05 - 25】【2019 - 05】【2019】【123近年来，通过模仿天然纤维的结构，复制天然纤维的纺丝过程，在制备高机械强度、多功能的生物基纤维然而，生产机械性能接近甚至优于拖丝蜘蛛丝的生物基纤维仍然具有挑战性[28]。蜘蛛丝显示了Z. Xu，M.吴角，澳-地Ye et al.工程14（2022）100109见图8。具有优异生物功能的生物基纤维在生物医学中的应用。 (a)胶原微纤维可用于神经修复：（（b）具有明胶甲基丙烯酸酯纺锤结的藻酸盐微纤维可用作细胞载体：（(c)螺旋藻酸盐微纤维可用作心肌细胞的机械传感器：（(d)壳聚糖基水凝胶纤维显示出抗菌性能：（i-iii）光学照片和SEM图像（比例尺为200 μ m; UV：紫外线）;（iv，v）大肠杆菌抑制区的荧光照片。大肠杆菌与纤维接触1min和24h。（e）藻酸盐/BSA纤维可用作手术缝合线：（i-iv）大鼠皮肤和肝脏上的纤维束和伤口缝合线的（a）复制自Ref。[109]许可;(b) [110]转载请注明出处。[51]《易经》云：“君子之道，焉可诬也？有始有卒者，其惟圣人乎！[111]（112）（113）（114）（115）（116）（117）（118）（119）（1119）（119）（19）（119）（[73]I'm sorry.非常高的强度和非凡的韧性，这两种性能在许多人造纤维中是相互排斥的。因此，关键问题是实现这两种性能的有利组合。为此，需要在整个纤维生产过程中，从结构设计到材料选择，本发明涉及纺丝装置、纺丝方法和后处理。 更深入地理解结构-力学关系天然生物材料将为设计提供新的见解，仿生纤维的纺丝原液对纤维的性能起着基础性和关键性的作用，因此纺丝原液的选择和优化显得尤为重要Z. Xu，M.吴角，澳-地Ye et al.工程14（2022）100110表3从原料、纺丝方法、后处理、力学性能和潜在应用等方面对生物基纤维进行了简要概述原料纺丝方法后处理强度（MPa）a模量（GPa）a伸长率（%）a应用参考文献纤维素细菌纤维素二氧化硅/纤维素CNT/纤维素GO/纤维素丝素/纤维素丝素重组丝素蛋白湿法纺丝湿法纺丝交联拉伸后交联--后拉伸后拉伸后拉伸-后拉伸1570357.5270120.9360235.7470.45081624208622.918.26.9约1.567.836.9216-约3.02.35.49.4-7.738.6153759机械强度高的纤维纺织品阻燃纤维耐磨电子隔热纤维机械强度纤维纺织品生物医学应用机械强度纤维机械强度纤维[56个][第七十一章][九十一][一百零五][第123话][一百二十四][第六十五章][一百一十二][第113话][第六十一届]GO/silk bag inBSA藻酸盐/BSA嵌合蛋白质胶原蛋白丝素蛋白丝素TiO2/丝素GO/丝素纤维素/丝素蛋白海藻酸湿法纺丝湿纺干纺干纺微流体纺丝微流体纺丝后拉伸拉伸后交联拉伸后交联-后拉伸后拉伸--697279.4420650151133614150.8218.5435.5101515.397.64.4108.50.88811193.935.94.8550.53-28.3约143020.58.12731.137.7211025.28抗菌材料机械强度纤维医用缝合线机械强度纤维组织工程可穿戴传感器机械强度纤维生物电子器件生物医学应用水收集[79个][第72话][七十三][第七十四章][125]第一百二十五话[46个][第117话][45个][78个国家][63个][55个][96个国家]胶原纤维素/壳聚糖微流体纺丝接口拉丝-后拉伸3832204.1382225约3.5神经修复机械强度纤维[109]第一百零九话[58个]壳聚糖/肝素接口拉丝-220 -~ 11.5医用缝合线[59]a强度、杨氏模量和伸长率的值通过基因工程的方法重组丝蛋白[112例如，工程化的非蜘蛛嵌合蛋白可以被认为是机械强度强的纤维的选择。在该策略中，除了分子量调节外，序列和结构的不同组合提供了许多选择[1，74]。复制天然纺纱系统的精细结构也非常重要，因为目前的人工纺纱装置与蜘蛛和蚕的纺纱管之间存在很大差异[115为了解决这个问题，可以引入超高分辨率3D成像和打印系统来设计和重建“自然”纺纱系统。对纺丝原液在天然纺丝导管中的流变学研究[34，118-增强策略是常规的选择;例如，交联和加入填料可以扩展到不同的纤维。此外，将重组丝蛋白与纤维素纳米纤维共纺将是一个很好的尝试，因为这种复合可能提供结构和功能特性之间的平衡[55，122]。强制卷绕是直接获得具有惊人强度的丝纤维的有效方法[27]，但工业规模化问题往往无法解决在这方面，用纳米材料喂养蚕可能有希望大规模收获高性能纤维;然而，应考虑过量纳米材料的可能毒性。综上所述，生物基纤维的发展还有很长的路要走。然而，在更好地理解生产天然纤维的纺丝机理并对纺丝工艺进行一系列优化之后，将有希望生产出超过其天然对应物的生物基纤维。致谢本工作得到了国家重点研究发展计划（2017YFC1103900）、国家自 然 科 学 基 金 （ 22075244 和 51722306 ） 、 浙 江 省 自 然 科 学 基 金（LZ22E030001）、Z. Xu，M.吴角，澳-地Ye et al.工程14（2022）100111Shanxi–Zheda Institute of Advanced Materials and Chemical Engi-neerin
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