微流场中蚕丝蛋白结构变化定量研究

Bombyx mori silk frbroin (SF) has been widely used in 3D printing (3DP) due to its excellent performance in recent years, however the theoretical mechanisms in SF-3DP, such as the micro-structural changes of SF and its effects during printing process, are not clear enough. In this proposal, microfluidic field of 3DP will be simulated by microfluidic chip to study SF structural changes in 3DP through a whole new angle. Structural changes of SF will be analyzed with Raman spectroscopy and rheological measurements. There are three crucial problems in this approach. Firstly, simulated microfluidic field has to be compared and adjusted with real field inside the 3DP inkjet. Secondly, Raman spectra acquisition should be very rapid in order to capture dynamic behaviors of SF in microfluidic field, and the spectra results should be combined with rheological properties of SF to get more information about SF micro-structures. Thirdly, the theoretical mechanism of SF structural changes in microfluidic field needs to be established to reveal the physical principle of 3DP. This proposal may be helpful in improving the 3DP technique.

近年来蚕丝蛋白因其出色的表现在3D打印中被广泛使用，但相关的理论机制目前还不够清晰，例如蚕丝蛋白的微结构是怎样改变的、结构改变又是如何影响打印过程的等等。本项目利用微流场模拟3D打印中蚕丝蛋白所处的微环境，通过Raman光谱和流变测量研究蚕丝蛋白在微流场下的构象变化，从这一新角度来认识蚕丝蛋白3D打印机制。其中关键问题包括：监测并调整微流场的空间结构等性质，与3D打印中喷嘴内部等微流体环境相比较，使之接近真实的3D打印微环境；实现Raman光谱的快速获取，从而得到实时的蚕丝蛋白Raman光谱，并与相应的流变学测试结果比对，表征蚕丝蛋白微结构的动态变化；建立微流场下蚕丝蛋白微结构变化的理论机制，揭示3D生物打印过程中快速成型等核心技术的物理本质。本项目研究将为3D打印技术的完善提供支撑。

本项目以丝素蛋白在3D打印领域的应用为背景，从丝素蛋白3D打印的物理本质出发，研究RSF在微流场下的空间构象变化，通过流变学与光谱学上的表征手段，结合微流控技术对3D打印进行模拟，期望通过丝素蛋白在微观流变环境中的空间构象变化来反映3D打印相关的理论机制，揭示3D打印中本质的物理规律，为3D打印工艺改进提供参考，为3D打印早日进入大规模产业化阶段奠定基础。项目研究内容分主要分为RSF制备、RSF在微流场下的行为表征、外界因素对RSF行为的调控和微流控系统改造调试四个部分。在项目执行期间，完成了制备再生丝素蛋白（regenerated silk fibroin, RSF），搭建并初步改造调试了微观流场测试平台，测试了RSF溶胶/凝胶的动态旋转流变测试与稳态旋转流变测试、傅里叶变换红外（Fourier transform infrared, FTIR）光谱与傅里叶变换Raman光谱，实现了对RSF实时动态流变光谱数据的获取，特别是对RSF凝胶化过程的实时捕捉，并根据以上实验数据，分析了RSF流变-光谱性质与其微观结构动态变化之间的联系，揭示丝素蛋白3D打印快速成型技术的物理本质。另外，在此基础上研究了几种外界刺激因素对RSF凝胶化行为的调控，用FTIR-流变学方法对剪切、振荡、浓度、温度等因素影响再生丝素蛋白凝胶化的过程进行研究，探寻如何通过环境的变化使RSF迅速到达sol-gel转变点。结合这些实时动态的流变光谱数据，分析外界因素调控RSF sol-gel转变的理论机制，为寻求最适合丝素蛋白3D打印的工艺条件提供帮助。