蘇州大學張克勤教授：蠶絲蛋白生物3D打印研究

2020年8月20日-21日，中國增材制造產業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇暨2020年中國增材制造產業(yè)年會在安徽蕪湖市舉行，此次年會由工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心、安徽省經濟和信息化廳、蕪湖市人民政府指導，中國增材制造產業(yè)聯(lián)盟主辦，繁昌縣人民政府協(xié)辦，南極熊作為支持媒體對本次會議進行了直播。

在“增材制造與醫(yī)療應用推進論壇”上，蘇州大學教授  張克勤做了《蠶絲蛋白生物3D打印研究》的演講，下面是現(xiàn)場文字速記。

張克勤（蘇州大學教授）：謝謝，很高興見到大家，今天把我做的一些研究給大家介紹一下。我可能會從下面幾個方面，一個是對蠶絲蛋白這個材料做一個簡單的介紹，在座的各位有了解這個材料的也有不了解的。后面我們會從兩方面，打印的技術或者是我們采用的打印的方法來給大家介紹一下我們所做的一些工作，最后做一點簡單的總結，談不上結論。

蠶絲，在江南這一帶是非常熟悉的，可能首先對它的了解最直觀的是絲綢的衣服，可能有的人小時候也去養(yǎng)過蠶，在每年的2月、3月的時候就會把蠶繭拿出來放在適合的溫度和濕度下就會孵化出小蠶，小蠶它會吃桑葉逐漸長大，當?shù)搅?月4月的時候，養(yǎng)了五六個星期之后，就會長成熟蠶，要去吐絲、結繭把自己包起來，過一段時間它會變成蛹最后變成飛蛾，飛蛾又產卵變成下一批的蠶，這就是它的一個生態(tài)輪回。

當然我們最感興趣的，從我們古代到現(xiàn)在來講最感興趣的就是參見，因為我們對它的絲是非常感興趣的。跟大家稍微介紹一下這個蠶，蠶絲大家看起來或穿在衣服上是一個纖維，但是你去看它的結構，它表面包了一層絲膠，我們從古代到現(xiàn)在所有做的絲綢的衣服第一步都是要把它的膠脫掉，它最主要的作用是用來保護蠶絲。我們的重點還是回到我們的蠶絲蛋白，記住中間這兩根絲，如果從它的結構、分子狀態(tài)看，它是非常長鏈的高分子，它分為兩部分。它的重點，會形成一定的結構，我們把它叫做折疊結構，這就為我們的蠶絲提供了非常好的力學性能的來源。

由彈簧和一些連接在一起的性能，我從古到今我們對它感興趣的也是它力學的性能。它跟我們自然界最強的生物絲，蜘蛛絲比是差一點，但是它的力也是足夠的。我們對蠶絲的利用和理解已經遠遠超過了我們對它傳統(tǒng)上作為一個紡織材料，作為一個為我們提供溫暖的材料的理解，在我們現(xiàn)在蠶絲蛋白已經可以做成任何的形態(tài)，纖維、微球、管、凝膠等等的形態(tài)，它都是有很多人在做研究的，實際上也有不少的產品在應用。

從材料的角度講，蠶絲和蠶絲蛋白可能在我們材料科學家的眼里跟大部分的高分子有一定的區(qū)別，但是它的好處是在于，它有很好的生物相融性，因為我們幾千年來穿絲綢、戴絲綢，從來沒聽過說誰穿絲綢會過敏。從目前所有的證據看，像是蠶絲蛋白對我們整體是非常好的，它具有非常好的低致敏性和低敏源的反應，當然它也是一個生物可降解的材料，在美國、在國家國內有不少的產品基于這個蠶絲蛋白的產品已經是在藥監(jiān)局批評了，在市面上可以去流通。

在我們的生物醫(yī)藥應用方面，基于蠶絲的很多產品，比如說我們在組織工程方面，作為人工支架，軟組織、心臟動脈、冠狀動脈的應用包括植入的器件包括一些疾病模型的研究很多都在用蠶絲蛋白這樣的產品，或者是基于蠶絲蛋白的這樣一個支架材料。

在我們過去，想制備一個蠶絲蛋白的支架需要很復雜的流程，當然它的結構是很好的，但是實際上還是相當麻煩的。希望用3D打印的方式，基于蠶絲蛋白做一些三維支架的材料，首先我們可能要把蠶絲蛋白提純，如果說我們用激光的方式還要接上很多光催化劑、黏合劑，我們發(fā)現(xiàn)很多工作我們可以非常輕易地、容易地得到基于蠶絲蛋白的3D打印的結構和材料。

這是近期的工作，這個研究所用蠶絲蛋白打印了一個人工的蜘蛛絲的網，從這個可以看出來，蠶絲蛋白是非常好的可打印的材料。在我的課題組也做了這樣的一些嘗試，首先我們要把蠶繭提純，我們現(xiàn)在基本上已經實現(xiàn)了一個標準的流程了，甚至可以在實驗室中把它提純，大批量做成蠶絲蛋白這樣的可用于生物醫(yī)用材料的原料。

這是實際的實驗室的操作，首先我們把蠶繭脫膠，然后我們用高濃度的鹽把分子的界限打斷，溶解完全之后還要做透析，最后變成可再生的蠶絲蛋白溶液�；�于這個材料可以做很多的應用，包括3D打印。如果我們把這個材料做成一個膜，可以看到它的光學質量以及強度都是非常好的，是一個類似塑料的材料。

當然我們也希望去做它的三維打印的可打印性的研究，但是通常我們得到的蠶絲蛋白去做打印是非常困難的，因為它的可打印性非常差。第一步我們會研究它的特性，同時我們會發(fā)現(xiàn)，蠶絲蛋白溶液首先它的可打印性是不太行的，基本上不太可能成形，所以我們開始的時候加了一個凝膠在里面，通過凝膠的添加，它是可以去進行打印的，但是有很多的同行質疑。我們下定決心還是用生物打印的方式做一個純蠶絲蛋白的打印，我們就買了一臺3D打印機，希望去做純蠶絲蛋白的3D打印。

通過不斷的努力，最近我們有了比較好的結構，這是一個純的蠶絲蛋白，沒有加任何的添加劑，它是一個純的，當然這里面費了很多的功夫在讓它成形的過程當中我們想了很多的辦法，因為它本身很難形成凝膠，形成凝膠之后我們不斷“捶打”，把它的溫度不斷調整，它的可打印性就有了非常好的提升。

這是它的一些生物的特性，我就不講了。這是我們細胞形態(tài)的一些觀察，我也不多做解釋。

這是一些比較微小的結構，比如說細胞在里面的生長也是非常有意思的，它跟我們平常的材料是不太一樣的。下面我們想起初的方式比較慢，我們就想發(fā)展另一種方式就是激光或者說是光學的方式來做這個材料。我們和美國西北大學一個教授合作開發(fā)了這樣一個連續(xù)投影3D打印技術，我們加了光硬化劑，維他命B6它又是一個比較好的可降解的材料，把它加進去進行一個打印，可以看到蠶絲蛋白的材料能得到一個非常好的形態(tài)，甚至我們可以在細節(jié)上做一些調控。

我們也嘗試著做了支架的打印，它的速度是很快的，分辨率也是相當高的，我們在15分鐘之內可以打出一個非常好的支架材料，視頻最后可以看到，而且同時它的分辨率也是非常高的。我們在十幾分鐘內就可以得到這樣一個支架材料，無論是它的形態(tài)還是什么都可以做進一步的精確的控制。

在生物醫(yī)學應用上，我們實際上是并不擅長的，但是我們有這些工作的基礎，這是和河北的一位醫(yī)院的臨床主任，他找到我們希望跟我們合作，做一個人工的氣管，據他所說，在河北的人民醫(yī)院，據他的統(tǒng)計每年要增加很多氣管病的病人。傳統(tǒng)的手術會產生很多的并發(fā)癥，對病人的生活質量有很大的影響，他至少有一年兩年的時間不能躺下睡覺，病人的生活質量會非常差，他就希望用這種組織工程的再生的氣管使病人生活質量提高。

我做一個比較簡單的總結，我們是用蠶絲蛋白這個材料用在我們3D打印支架的材料方面，可以看出來，絲蛋白這個材料它本身可降解率是非常好的，遠遠超出了我們對蠶絲蛋白這種材料的認識，我們希望未來在3D材料打印方面可以和各位有更多的合作，有進一步的發(fā)展，謝謝大家！