一根細蠶絲織出功能纖維大產(chǎn)業(yè)

2023-08-15 10:27:25 來源: 科技日報

近日，從蘇州大學現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室傳來好消息。該實驗室王曉沁教授研發(fā)團隊在杭州臨安建設(shè)完成占地3000平方米的絲蛋白生產(chǎn)基地和GMP標準化研發(fā)中心，不僅承擔了絲蛋白基醫(yī)療器械的研發(fā)任務(wù)，還實現(xiàn)了大分子絲蛋白年產(chǎn)量10噸的批量生產(chǎn)。

從“一根桑蠶絲”到“一根化纖絲”，從“纖維”到“新材料”，作為國內(nèi)紡織絲綢行業(yè)唯一的國家工程實驗室，蘇州大學現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室，面向國家戰(zhàn)略需求，攻克行業(yè)關(guān)鍵技術(shù)難題，在創(chuàng)新中領(lǐng)跑，在探索中求變。

近年來，該實驗室持續(xù)聚焦新型功能性纖維材料、新型生物醫(yī)用材料、纖維材料綠色低碳制造、纖維材料數(shù)字化智能制造及檢測體系四大方向，攻克了30多項產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)，取得了一系列原創(chuàng)性突破。

材料科學開啟纖維“新賽道”

【資料圖】

不用打針、不用吃藥，只要在皮膚上一貼就能讓藥物經(jīng)皮下血管直達病灶……絲素蛋白智能微針經(jīng)皮給藥系統(tǒng)著實讓人驚嘆。

“我們將蠶絲制成微針，借助絲素蛋白易提純、可降解、天然無毒、無免疫原性等特點，實現(xiàn)經(jīng)皮給藥?！碧K州大學盧神州教授說，蠶絲主要由絲膠蛋白和絲素蛋白組成，對人體友好，是制備微針的良好材料。

“先把絲素蛋白做成溶液，經(jīng)過結(jié)構(gòu)調(diào)控，澆入微米級模具，干燥后就制成了微針。”盧神州介紹，在一個0.5平方厘米的貼片上，有225根微米級的細針，可以遞送1毫克以上的藥物，使用時就像使用創(chuàng)口貼一樣簡單。由于微針短而細小，不觸及神經(jīng)及血管，因此實現(xiàn)了無痛給藥。與此同時，他們通過對絲素蛋白聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的有效控制，實現(xiàn)了藥物的緩釋。

蠶絲是集輕、柔、細于一體的天然纖維，在高科技的“塑造”下，如今它早已超越了紡織面料的傳統(tǒng)用途，展現(xiàn)出在健康醫(yī)療、智能感知等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景。

蘇州大學現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室方劍教授開發(fā)的智能纖維材料，將柔性纖維與傳感器合二為一，能夠準確監(jiān)測人體的呼吸、心率以及運動幅度;李剛教授開發(fā)的醫(yī)用蠶絲縫合線，搭載絲素蛋白的載藥技術(shù)，可以長效抗菌抗炎，廣泛應(yīng)用于各種外科手術(shù)。

作為國際競爭的重點領(lǐng)域，先進功能性纖維在纖維材料產(chǎn)業(yè)體系中具有核心地位和關(guān)鍵價值。生物基纖維是可循環(huán)使用的綠色纖維，也是纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。此前，生物基PTT纖維技術(shù)一直被國外壟斷。直到現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室與共建單位開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的生物基PTT聚酯纖維成套生產(chǎn)技術(shù)，成為全球第二個擁有完整產(chǎn)業(yè)鏈的生物基纖維生產(chǎn)國，目前PTT及復(fù)合纖維產(chǎn)能已達50萬噸。

近年來，實驗室面向世界科技前沿，在纖維材料領(lǐng)域攻克10余項行業(yè)關(guān)鍵技術(shù)難題，誕生50項技術(shù)成果，獲批200多項專利，成為我國現(xiàn)代絲綢產(chǎn)業(yè)最重要的技術(shù)開發(fā)平臺和創(chuàng)新基地之一。

高端科技實現(xiàn)紡織“綠而美”

地球上蝴蝶種類多達一萬多種，蝴蝶翅膀具有令人嘆為觀止的精細結(jié)構(gòu)和斑斕色彩，為研究生物材料提供了新思路。

“我們模仿蝴蝶翅膀，設(shè)計了一種200-400納米的微納結(jié)構(gòu)，簡單來講，就是一個個小球堆積成的結(jié)構(gòu)，這種微納結(jié)構(gòu)可以與可見光產(chǎn)生相互作用，呈現(xiàn)出各種顏色。”蘇州大學紡織與服裝工程學院院長張克勤介紹。

基于這一原理，他們實現(xiàn)了在結(jié)構(gòu)色纖維研發(fā)上的突破，研發(fā)出全球首個結(jié)構(gòu)色纖維產(chǎn)品，讓傳統(tǒng)的絲綢展現(xiàn)絢麗奪目的結(jié)構(gòu)色，并有望解決真絲印染過程中的污染難題。

“未來我們會看到，這種通過結(jié)構(gòu)色產(chǎn)生的隱身車衣，更進一步地豐富汽車涂料、汽車的顏色。”張克勤告訴記者。

高污染、高排放是長期以來阻礙紡織產(chǎn)業(yè)做大做強的“攔路虎”。隨著 “雙碳”目標的提出，國家對紡織產(chǎn)業(yè)綠色化發(fā)展的要求日益緊迫。

“傳統(tǒng)的印染以水為介質(zhì)，印染廢水含有大量的漿料、染料、表面活性劑、酸堿及鹽等化學品，對生態(tài)環(huán)境造成了沉重負擔?！碧K州大學龍家杰教授介紹，為解決這個行業(yè)共性難題，他們組建了“超臨界無水染整技術(shù)”研發(fā)團隊。

經(jīng)過近20年研發(fā)，他們攻克了關(guān)鍵核心技術(shù)，在國際上首次成功研制出織物超臨界二氧化碳流體動態(tài)染色技術(shù)，解決了高品質(zhì)無水染色的難題。

龍家杰介紹，超臨界二氧化碳流體是一種綠色、生態(tài)、環(huán)境友好的介質(zhì)，在染色加工過程中織物呈干燥狀態(tài)，染色產(chǎn)品無須烘干及常規(guī)染后清洗。染色時也不用添加染色助劑，沒有染色廢水及其他廢棄物產(chǎn)生，染后也不需任何化學方法處理，可徹底實現(xiàn)清潔、綠色、生態(tài)、環(huán)?；庸?。

綠色是高質(zhì)量發(fā)展的底色。目前，實驗室針對纖維材料染色、著色等行業(yè)痛點，先后開發(fā)了超臨界二氧化碳無水前處理、匹染、纖染及功能性后整理，以及光子晶體結(jié)構(gòu)生色等20余項技術(shù)成果，助力我國纖維產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展實現(xiàn)破局闖關(guān)、綠色蝶變。

基因改造助力纖絲“強而優(yōu)”

1972年，長沙馬王堆辛追夫人墓出土了一件素紗單衣，它薄如蟬翼，似云霧般輕柔，這件西漢時期紡織技術(shù)巔峰之作自然少不了蠶絲的參與。

如今，歷經(jīng)千年綿延不衰的蠶絲，在基因工程的加持下又有了新突破。蘇州大學蠶桑研究所所長李兵教授利用12個家蠶種質(zhì)資源，開展分子標記輔助育種，最終育成“蘇秀春豐”新品種家蠶。

“這個品種的家蠶吐出的蠶絲制備的生絲(20/22D)強度達到96.2cN(厘牛)，比市場主流品種提升13%，是目前強度最大的蠶絲。”李兵說，蠶絲直徑僅為頭發(fā)絲的十分之一，為了提高紡織效率和絲綢質(zhì)量，提高蠶絲強度顯得尤為重要，“蘇秀春豐”推廣后，下游紡織廠的紡絲速度一下子提高10%，大大提升絲綢產(chǎn)品的競爭力。

中國是絲綢的發(fā)源地，絲綢產(chǎn)量占世界的80%。但是合成纖維問世后，面對不斷變化的市場需求，以及天然蠶絲自身缺點，使得絲綢產(chǎn)業(yè)受到巨大沖擊。

不過，蠶絲并沒有因此退出歷史舞臺，基于蠶寶寶吐絲的靈感而衍生的新型纖維材料，在現(xiàn)代科技的加持下也創(chuàng)造出不是真絲似真絲的價值，充分彌補了蠶絲天然產(chǎn)量的不足，極大拓展了蠶絲的應(yīng)用領(lǐng)域。

“這件衣服摸上去有絲滑感，穿上去有親膚感，水滴上去吸濕快散，汗沾上去瞬間無味?！碧K州大學鄭敏教授從包里掏出一套T恤短褲向記者介紹，她領(lǐng)銜的納盾協(xié)同創(chuàng)新團隊研發(fā)的多功能原位聚合化學纖維，從分子水平上將納米活體礦石鍵入合成纖維大分子鏈中，破解了從纖維原料端實現(xiàn)多功能集成這一世界難題。

這項技術(shù)還在醫(yī)療領(lǐng)域也大放異彩，用該纖維制成的抗菌自修復(fù)醫(yī)用敷料已進入山東第一醫(yī)科大學第三附屬醫(yī)院預(yù)臨床試驗階段，成為紡織、材料化學、醫(yī)學等各學科交叉融合的結(jié)晶，已獲國內(nèi)國際發(fā)明專利48項。

走過數(shù)千年，蠶絲依然吸引著世人的目光，科學家也在這種古老天然產(chǎn)物中不斷找到新靈感。最早開始馴化蠶的古人何曾想到，數(shù)千年后，蠶絲已成為散發(fā)著現(xiàn)代科學技術(shù)魅力的“新材料”。近年來，蘇州大學現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室已成為國內(nèi)絲綢行業(yè)最高學術(shù)研究中心，提高了絲綢和功能纖維產(chǎn)業(yè)的核心競爭力，實驗室參與的國家、省級重大工程項目達40余項，帶動間接經(jīng)濟效益110億元。

(受訪者供圖)

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