蘇州大學(xué)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(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇暨2020年中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)年會(huì)在安徽蕪湖市舉行，此次年會(huì)由工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心、安徽省經(jīng)濟(jì)和信息化廳、蕪湖市人民政府指導(dǎo)，中國(guó)增材制造產(chǎn)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(duì)本次會(huì)議進(jìn)行了直播。

在“增材制造與醫(yī)療應(yīng)用推進(jìn)論壇”上，蘇州大學(xué)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(chǎng)文字速記。

張克勤（蘇州大學(xué)教授）：謝謝，很高興見(jiàn)到大家，今天把我做的一些研究給大家介紹一下。我可能會(huì)從下面幾個(gè)方面，一個(gè)是對(duì)蠶絲蛋白這個(gè)材料做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，在座的各位有了解這個(gè)材料的也有不了解的。后面我們會(huì)從兩方面，打印的技術(shù)或者是我們采用的打印的方法來(lái)給大家介紹一下我們所做的一些工作，最后做一點(diǎn)簡(jiǎn)單的總結(jié)，談不上結(jié)論。

蠶絲，在江南這一帶是非常熟悉的，可能首先對(duì)它的了解最直觀的是絲綢的衣服，可能有的人小時(shí)候也去養(yǎng)過(guò)蠶，在每年的2月、3月的時(shí)候就會(huì)把蠶繭拿出來(lái)放在適合的溫度和濕度下就會(huì)孵化出小蠶，小蠶它會(huì)吃桑葉逐漸長(zhǎng)大，當(dāng)?shù)搅?月4月的時(shí)候，養(yǎng)了五六個(gè)星期之后，就會(huì)長(zhǎng)成熟蠶，要去吐絲、結(jié)繭把自己包起來(lái)，過(guò)一段時(shí)間它會(huì)變成蛹最后變成飛蛾，飛蛾又產(chǎn)卵變成下一批的蠶，這就是它的一個(gè)生態(tài)輪回。

當(dāng)然我們最感興趣的，從我們古代到現(xiàn)在來(lái)講最感興趣的就是參見(jiàn)，因?yàn)槲覀儗?duì)它的絲是非常感興趣的。跟大家稍微介紹一下這個(gè)蠶，蠶絲大家看起來(lái)或穿在衣服上是一個(gè)纖維，但是你去看它的結(jié)構(gòu)，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(lái)保護(hù)蠶絲。我們的重點(diǎn)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(jié)構(gòu)、分子狀態(tài)看，它是非常長(zhǎng)鏈的高分子，它分為兩部分。它的重點(diǎn)，會(huì)形成一定的結(jié)構(gòu)，我們把它叫做折疊結(jié)構(gòu)，這就為我們的蠶絲提供了非常好的力學(xué)性能的來(lái)源。

由彈簧和一些連接在一起的性能，我從古到今我們對(duì)它感興趣的也是它力學(xué)的性能。它跟我們自然界最強(qiáng)的生物絲，蜘蛛絲比是差一點(diǎn)，但是它的力也是足夠的。我們對(duì)蠶絲的利用和理解已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了我們對(duì)它傳統(tǒng)上作為一個(gè)紡織材料，作為一個(gè)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(jīng)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(shí)際上也有不少的產(chǎn)品在應(yīng)用。

從材料的角度講，蠶絲和蠶絲蛋白可能在我們材料科學(xué)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?yàn)槲覀儙浊�年�?lái)穿絲綢、戴絲綢，從來(lái)沒(méi)聽(tīng)過(guò)說(shuō)誰(shuí)穿絲綢會(huì)過(guò)敏。從目前所有的證據(jù)看，像是蠶絲蛋白對(duì)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(yīng)，當(dāng)然它也是一個(gè)生物可降解的材料，在美國(guó)、在國(guó)家國(guó)內(nèi)有不少的產(chǎn)品基于這個(gè)蠶絲蛋白的產(chǎn)品已經(jīng)是在藥監(jiān)局批評(píng)了，在市面上可以去流通。

在我們的生物醫(yī)藥應(yīng)用方面，基于蠶絲的很多產(chǎn)品，比如說(shuō)我們?cè)诮M織工程方面，作為人工支架，軟組織、心臟動(dòng)脈、冠狀動(dòng)脈的應(yīng)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(chǎn)品，或者是基于蠶絲蛋白的這樣一個(gè)支架材料。

在我們過(guò)去，想制備一個(gè)蠶絲蛋白的支架需要很復(fù)雜的流程，當(dāng)然它的結(jié)構(gòu)是很好的，但是實(shí)際上還是相當(dāng)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(shuō)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(jié)構(gòu)和材料。

這是近期的工作，這個(gè)研究所用蠶絲蛋白打印了一個(gè)人工的蜘蛛絲的網(wǎng)，從這個(gè)可以看出來(lái)，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(jīng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的流程了，甚至可以在實(shí)驗(yàn)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(shí)際的實(shí)驗(yàn)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(gè)材料可以做很多的應(yīng)用，包括3D打印。如果我們把這個(gè)材料做成一個(gè)膜，可以看到它的光學(xué)質(zhì)量以及強(qiáng)度都是非常好的，是一個(gè)類(lèi)似塑料的材料。

當(dāng)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?yàn)樗�的可打印性非常差。第一步我們�?huì)研究它的特性，同時(shí)我們會(huì)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(kāi)始的時(shí)候加了一個(gè)凝膠在里面，通過(guò)凝膠的添加，它是可以去進(jìn)行打印的，但是有很多的同行質(zhì)疑。我們下定決心還是用生物打印的方式做一個(gè)純蠶絲蛋白的打印，我們就買(mǎi)了一臺(tái)3D打印機(jī)，希望去做純蠶絲蛋白的3D打印。

通過(guò)不斷的努力，最近我們有了比較好的結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)純的蠶絲蛋白，沒(méi)有加任何的添加劑，它是一個(gè)純的，當(dāng)然這里面費(fèi)了很多的功夫在讓它成形的過(guò)程當(dāng)中我們想了很多的辦法，因?yàn)樗�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(diào)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(xì)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(jié)構(gòu)，比如說(shuō)細(xì)胞在里面的生長(zhǎng)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(shuō)是光學(xué)的方式來(lái)做這個(gè)材料。我們和美國(guó)西北大學(xué)一個(gè)教授合作開(kāi)發(fā)了這樣一個(gè)連續(xù)投影3D打印技術(shù)，我們加了光硬化劑，維他命B6它又是一個(gè)比較好的可降解的材料，把它加進(jìn)去進(jìn)行一個(gè)打印，可以看到蠶絲蛋白的材料能得到一個(gè)非常好的形態(tài)，甚至我們可以在細(xì)節(jié)上做一些調(diào)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(dāng)高的，我們?cè)?5分鐘之內(nèi)可以打出一個(gè)非常好的支架材料，視頻最后可以看到，而且同時(shí)它的分辨率也是非常高的。我們?cè)谑畮追昼妰?nèi)就可以得到這樣一個(gè)支架材料，無(wú)論是它的形態(tài)還是什么都可以做進(jìn)一步的精確的控制。

在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用上，我們實(shí)際上是并不擅長(zhǎng)的，但是我們有這些工作的基礎(chǔ)，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(gè)人工的氣管，據(jù)他所說(shuō)，在河北的人民醫(yī)院，據(jù)他的統(tǒng)計(jì)每年要增加很多氣管病的病人。傳統(tǒng)的手術(shù)會(huì)產(chǎn)生很多的并發(fā)癥，對(duì)病人的生活質(zhì)量有很大的影響，他至少有一年兩年的時(shí)間不能躺下睡覺(jué)，病人的生活質(zhì)量會(huì)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(zhì)量提高。

我做一個(gè)比較簡(jiǎn)單的總結(jié)，我們是用蠶絲蛋白這個(gè)材料用在我們3D打印支架的材料方面，可以看出來(lái)，絲蛋白這個(gè)材料它本身可降解率是非常好的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們對(duì)蠶絲蛋白這種材料的認(rèn)識(shí)，我們希望未來(lái)在3D材料打印方面可以和各位有更多的合作，有進(jìn)一步的發(fā)展，謝謝大家！