第二节 蚕丝的再生加工过程
一、蚕丝的脱胶
丝胶以鳞状粒片不规则地附着于丝素的外围，约占茧层质量的25%，并含有少量蜡质、碳水化合物、色素和无机成分。丝胶二级结构以无规卷曲结构为主，含有部分的β-折叠构象，几乎不含有α-螺旋构象，接近丝素的内层丝胶中含β-折叠构象的比例相对外层丝胶来说要高，但外层丝胶在环境条件的影响下，部分无规卷曲能向β-折叠构象发生不可逆转化。蚕丝的丝胶包覆于丝素之外，并有四层包覆层，由于丝胶蛋白包覆层的水溶性由外到内依次减弱，结晶度依次变大，因而外层的丝胶最易去除。一般情况下，采用酸、碱、皂、高温高压及酶处理的方式在一定条件下都可以实现去除丝胶的目的，但脱胶处理不当会引起丝素性能的降低或改变，对丝素的进一步再生加工造成影响。
（一）碳酸钠溶液脱胶
称取一定量的蚕丝试样，采用0.05%的碳酸钠（Na2CO3）溶液进行脱胶，按1:20的浴比煮沸30min，上述脱胶过程反复3次，脱胶后丝素用60℃以上的去离子水清洗，60℃条件下的烘箱里烘干，即为脱胶蚕丝。
（二）水浴煮沸脱胶
称取一定量的蚕丝试样，置于1.0mol/L氢氧化钠调节至pH值为10.5的蒸馏水中，浴比1:100，温度100℃，在电热恒温炉中脱胶30min。换液保持同样条件重复煮沸4次，煮后用40℃左右的去离子水反复洗涤后，在烘箱中烘干，即为脱胶蚕丝。
（三）高温高压脱胶
称取一定量的试样，以清水为精练液，采用RY-12611V型高温精炼染样机，保持恒温125℃、压力0.15MPa、浴比1:50、时间60min。换液后保持同样条件重复脱胶2次，取出脱胶蚕丝，用40℃左右的去离子反复洗涤后，在烘箱中烘干，即为脱胶蚕丝。
（四）皂碱脱胶
称取一定量的试样，置于质量分数为0.2%的中性皂溶液中，温度100℃，浴比1:100，沸煮30min后取出，换液后保持同样条件重复沸煮4次。取出脱胶蚕丝，用40℃左右的去离子水反复洗涤后，在烘箱中烘干，即为脱胶蚕丝。
二、蚕丝的溶解过程
蚕丝因其内部存在大量氢键，物理化学性能非常稳定，蚕丝再生加工的前提就是丝素的溶解。丝素的溶解过程经历两个阶段，溶剂分子首先渗入丝素内部，使丝素溶胀，继而丝素分子均匀分散在溶剂中，形成完全溶解的丝素分子分散的均相体系。
（一）无机酸及铜氨溶解体系
蚕丝是由熟蚕结茧吐丝时所成形的天然蛋白质长纤维，在传统纺织品领域的应用由来已久。随着人们对蚕丝结构特征与物理化学性质认识的深入，目前国内外的相关学者将研究方向从传统纺织品逐渐向其他领域延伸，再生丝素材料在生物医学领域的应用就是近年来研究的热点。
对于天然蚕丝的再生首先需要完成的是溶解过程，最初对蚕丝溶解主要采用的是强酸溶液。早在1933年，Camille等[26]采用25%～75%的硫酸等无机强酸在低温下溶解了丝素；Ishizaka等[27]用磷酸溶解蚕丝，用硫酸铵和硫酸钠溶液作为凝固浴湿纺纺丝得到人工纤维。但发现采用强酸溶解蚕丝会使丝素严重降解，因此目前很少有人选择强酸作为溶剂溶解蚕丝。Iriarai[28]和Gustavus[29]曾用铜氨溶液来溶解丝素并进行再生蛋白质纤维的纺丝，但铜氨溶剂也会引起丝素分子的降解。
（二）中性盐溶解体系
随后的研究发现高浓度的中性盐溶液，如钙、镁、锂、锌的卤素盐、硝酸盐以及硫氰酸盐，可以溶解蚕丝。Yazawa等[30]用高浓度的硝酸镁溶液溶解天然蚕丝，经透析、浓缩后在饱和硫酸铵溶液凝固浴中进行湿法纺丝得到人工蚕丝纤维。Lock等[31]1992年首先报道了一种以90%的甲酸和10%的氯化锂混合物为溶剂溶解蚕丝获得浓度为15.3%的再生蚕丝蛋白溶液。Matsumoto等[32]以LiBr·H2O—EtOH—H2O作为溶剂获得再生丝素溶液，Hudson[33]采用Ca（NO3）2—CH3OH溶解蚕丝，Park等[34]采用CaCl2—H2O—EtOH溶剂体系溶解蚕丝。在众多的过饱和盐溶液中，CaCl2—C2H5OH—H2O三元溶液和Li-Br水溶液是目前最常用的两种蚕丝溶解再生体系，具有较好溶解能力与溶解效果。
（三）离子液体溶解体系
离子液体的兴起为蚕丝溶解和再生提供了一种新的选择。2004年，Philips等[35]首次提出了离子液体中阴离子、阳离子的结构对蚕丝溶解的影响。其研究发现，当阳离子支链较短、阴离子为氯的离子液体对蚕丝的溶解能力强，并主要是阴离子和丝素大分子形成氢键、破坏蛋白质大分子间的氢键而溶解，形成氢键作用的阴离子越多，对蚕丝的溶解能力越强，如氯化1-乙基-3-甲基咪唑在100℃可溶解蚕丝。
之后有人开始了对离子液体溶解的研究[36]。张慧慧等[37]发现离子液体氯化1-丁基-3-甲基咪唑和氯化1-己基-3-甲基咪唑能很好地溶解蚕丝。由于室温离子液体具有极性强、不挥发、毒性小、溶解性强、易回收等优点，是极具前景的绿色环保型溶剂，溶解过程基本无废弃物，避免了传统溶解工艺中的污染问题，也被称为“绿色工艺”。
（四）盐—酸体溶解体系
左保齐课题组提出了一种全新的盐—甲酸溶剂体系[38]。从前期的研究结果来看，甲酸中加入低浓度（1%）的氯化钙即可在常温条件下溶解蚕丝并打开其内部的β-折叠结晶结构，并且该溶解过程可控制在纳米原纤水平，而非传统溶剂的分子水平。与传统溶剂相比，该溶解方法具有盐浓度低、常温条件快速溶解、溶解可控制在纳米原纤水平的特点，纳米原纤结构的保留非常有益于制备高性能再生丝素蛋白材料，前期工作也证实了这一点[39]。
丝素在水中只发生溶胀，水分子渗透产生的膨胀不足以破坏蚕丝内部稳定的结晶结构。当在水中加入氯化钙时，水分子首先和盐离子结合，需要更高浓度的中性盐及加热条件才能将丝素溶解。当用甲酸替代水后，甲酸优先渗入丝素内部使丝素体积膨胀，膨胀后的丝素分子内部空间增大，有利于盐离子的进入并与丝素分子相互作用。溶剂中的强极性离子产生较强的水化作用，大量的羧基吸附在丝素纤维表面，削弱丝素分子链间的范德瓦耳斯力及分子间氢键，使丝素纤维中的肽链变得活跃，从而破坏丝素蛋白分子内或分子间氢键，将丝素纤维溶解至纳米原纤水平。另外，盐离子与丝素分子中的极性氨基酸残基如络氨酸、丝氨酸基配位形成络合物[40]，破坏分子间氢键，随着溶解的持续，丝素纤维内部晶区结构被破坏。
三、蚕丝的再生加工形式
（一）再生丝素蛋白膜
Kuniyo[41]制备了再生丝素膜，表明再生丝素膜可以替代胶原蛋白用作细胞生长的基质。之后很多人研究了丝素与其他材料形成的共混膜。Tanaka等[42]研究丝素/PVA共混膜有明显的相分离现象；国内孙东豪等[43]选择不同聚合度的PVA和丝素共混，并讨论PVA改性丝素膜用作创面膜的可行性；王朝霞等[44]为了提高丝素膜的柔软性和吸湿性制备了丝素/PVP共混膜；王晓英等[45]制备了丝素/聚氨酯共混膜，通过改变聚氨酯的含量来获得不同力学性能的共混膜；Liang等[46]用传统方法制备了丝素/海藻酸钠共混膜，改善了丝素膜吸湿性、热稳定性和力学性能；Freddi等[47]研究了丝素/聚丙烯胺共混膜，改善丝素膜的热稳定性和力学性能。Aria等[48]用水溶液干燥法制备了聚丙烯胺/丝素共混膜，成膜性较好，在潮湿状态下伸长率增大。
（二）再生丝素蛋白纤维
1.干法纺丝
蚕在常温常压下能以水为溶剂，在空气中吐丝形成高强、高韧性的蚕丝纤维，而且纤维的综合性能优于普通合成纤维。因此，最早是采用干法纺丝技术来进行人工模拟生物纺丝。魏伟课题组以水为溶剂，以高浓度再生丝素蛋白水溶液为纺丝液，通过调节纺丝液的pH值、金属离子等影响因素，通过自制毛细管装置干法纺丝方式进行蚕丝的仿生纺丝研究，制备再生丝素蛋白纤维。然而，干法纺丝要求溶剂黏度高且具有高挥发性，较难实现连续纺丝。
2.湿法纺丝
湿法纺丝是常见的一种纺丝方法，可以分为自透析法和透析再溶法。Ish-izaka等用磷酸溶解蚕丝，以硫酸铵—硫酸钠混合溶液为凝固浴湿法纺丝制备丝素纤维，并通过甲醇—水混合液进行牵伸。Matsumoto等用LiBr·H2O—EtOH—H2O溶解蚕丝，分别用甲醇、乙醇和异丁醇不同凝固浴湿法纺丝制备丝素纤维。在自透析法制备再生丝素纤维过程中，纺丝工艺简单，易操作，但纤维的力学性能不够理想。
3.静电纺再生丝素蛋白纳米纤维
静电纺丝可以认为是带电射流电雾化的一种变形，当溶液的黏度较小时，射流在受到电场力的作用后破裂为许多细小的液滴，液滴的直径介于微米和纳米之间，当液滴的黏度较大时，就会形成纤维。静电纺丝是一种高效低耗的亚微米级和纳米级纤维制备技术，具有比表面积大、孔隙率高、长径比大、表面能和活性高、纤维精细程度和均一性高等特点，相比于其他的方法，此技术更加方便、简单、灵活，而且可以适用于大部分的聚合物。通过静电纺丝制得的纳米纤维，有着广泛的应用领域，如过滤、生物组织工程、复合增强、传感器、防护服等。
（三）再生丝素蛋白水凝胶
再生丝素水凝胶是一种能吸收水并保持大量水分的具有交联网络结构的物质，水凝胶中的水分可使溶于其中的物质从中渗透扩散，具有高分子电解质特性和三维网络结构[49]，具有良好的生物相容性和降解性。但由于再生丝素水凝胶材料柔韧性差，目前多采用共混方式改善其力学性能。如Huang等[50]在水凝胶中共混加入氧化石墨烯，提高了材料的初始模量和断裂强度；Hu[51]、Huang[52]等人研究了聚氨酯的加入对再生丝素水凝胶力学性能的提高问题；Guziewicz等[53]研究冷冻干燥的丝素水凝胶可用于小分子药物或生长因子的缓释载体。
（四）再生丝素蛋白多孔支架材料
多孔丝素支架材料具有高比表面积，良好的组织相容性，是一种理想的组织工程支架材料。Kaplan等[54]将丝素水溶液冻干后溶解到HFIP溶液中，以NaCl颗粒为致孔剂制备多孔丝素材料。Li等[55]采用冷冻干燥法制备多孔丝素膜，Nandana等[56]对丝素支架材料进行预冷冻，再进行醇处理后低温放置6h形成冻凝胶。