蜘蛛丝和蚕丝等天然动物丝具有多种优异性能,尤其是络新妇蛛(Nephila clavipes)的牵引丝,其韧性超过芳纶、碳纤维等多种合成纤维,是迄今为止最强韧的纤维之一。而且蜘蛛和蚕只需在常温常压下,以水为溶剂,进行干法纺丝,即可以在空气中直接成丝,整个纺丝过程效率高,能耗低,且原料和产物均绿色环保。为了得到性能优异的人造动物丝,开发低碳环保的生产工艺,科学界逐渐掀起对生物纺丝系统的模拟热潮,湿法纺、静电纺和干法纺等工艺都被用于进行动物丝的人工纺制。然而,无论是由重组或再生蜘蛛丝蛋白,还是由再生蚕丝蛋白纺出的人造动物丝的力学性能与络新妇蛛牵引丝相比仍有一定的差距。这主要是因为目前人类的纺丝工艺与生物纺丝系统有很大区别,且纺丝工艺简单、仿生程度低,不能很好地满足动物丝蛋白组装所需要的各种条件。研究表明,天然动物丝蛋白在生物纺丝系统中的流动过程是一个集pH降低、离子含量变化和丝素质量分数升高于一体的统筹且动态协调的过程。在这一过程中,蜘蛛和蚕体内纺丝管道渐变的形状为动物丝蛋白水溶液提供内拉伸和剪切作用,促使蛋白结构发生改变,最终从溶液中分相析出,形成纤维。而普通的实验室装置很明显无法系统地模拟生物纺丝系统。微流体技术的迅速发展及其在纺丝方面的成功应用,为天然动物丝蛋白的仿生研究带来了新的概念。从结构和功能上分析,蜘蛛和蚕体内的生物纺丝器在某种意义上可以看作是非常复杂的微流体装置,如纺丝管直径只有几十微米,腺体表皮具有半透膜功能从而实现离子控制等。因此,微流体技术可以利用微流体的层流及扩散特性,从通道尺度、pH值、离子浓度梯度以及剪切、拉伸作用等方面高度模拟生物体内的纺丝过程,以动态调控纺丝液的组成和结构。为了模仿蜘蛛和蚕纺丝器的多种功能,本论文分别从pH调控、离子组分及浓度调控、丝蛋白浓缩、拉伸和剪切等方面对生物纺丝系统进行模拟,设计并制备了具有不同功能的微流体芯片,用于再生丝素蛋白(RSF)水溶液的仿生纺丝研究。本论文首先探讨了利用紫外光刻技术和模塑成型技术制备微流体芯片的过程,分析并解决了芯片制备过程中产生的各种问题,确定了微流体芯片的制备参数,成功制备了用于RSF水溶液组分调节的仿生微流体芯片。利用微通道中微流体的层流和离子的扩散特性,在保证RSF水溶液质量分数不变的基础上,实现了溶液中pH值的动态调控：流速越低,缓冲液与RSF水溶液的pH值相差越小,RSF水溶液越容易被调控到与缓冲液接近的pH值；RSF水溶液中丝素蛋白质量分数的降低也有利于RSF水溶液的pH调控。本论文利用此类微流体芯片,在保证RSF水溶液质量分数不变的基础上,进一步实现了RSF水溶液的Ca2+浓度的动态调控：流速越低,出口处RSF水溶液的Ca2+浓度越高；RSF水溶液中丝素蛋白质量分数的降低也有利于RSF水溶液的Ca2+浓度调控。为了模拟生物体中蛋白水溶液的动态浓缩过程,本论文首先利用再生纤维素透析袋,以聚乙二醇(PEG)水溶液为吸水剂,对RSF水溶液进行了静态浓缩实验。实验表明：PEG水溶液可用于浓缩纤维素透析袋中的RSF水溶液；随着浸泡时间的增加和PEG水溶液质量分数的提高,RSF水溶液的浓缩因子逐渐增加。在此基础上,本论文利用光刻及模塑成型等加工技术,以再生纤维素膜为透析膜,制备了两层微流体浓缩芯片,并以PEG水溶液作为吸水剂,对流动中的RSF水溶液进行了浓缩实验。结果发现,以再生纤维素膜为透析膜的两层微流体浓缩芯片可在短时间内将RSF水溶液质量分数提高,其浓缩效率远高于静态浓缩实验的效率。在一定条件下,可成功将RSF水溶液由12wt%浓缩到30wt%以上,实现生物体纺丝系统的部分模拟。本论文还研究了PEG水溶液浓度、流速和RSF溶液流速、质量分数以及通道尺寸对浓缩效果的影响。结果表明,随着PEG水溶液浓度的提高、RSF水溶液流速和质量分数的下降、通道长度和深度的增加,RSF水溶液的浓缩效果逐渐增加；而当PEG水溶液流速超过一定值后,RSF水溶液的浓缩效果将会降低。除了对生物纺丝液的组分调控进行模拟,本论文也通过模拟生物纺丝器的形状尺寸,设计、制备了具有不同拉伸和剪切条件的单通道微流体芯片,用于对高质量分数RSF水溶液进行通道内拉伸和剪切研究。利用拉曼光谱和同步辐射小角X-散射(SR-SAXS)研究了不同溶液参数(如RSF质量分数、pH值和Ca2+浓度)对经通道内拉伸和剪切前后的高质量分数RSF水溶液中丝素蛋白结构的影响。结果表明：在RSF水溶液的其他溶液参数都相同的条件下,RSF质量分数的升高,pH值的降低(至4.8)和Ca2+浓度的增加(至0.3M),均使RSF水溶液中丝素蛋白聚集体的尺寸增大；且在经历相同的通道内拉伸和剪切作用时,RSF质量分数越高,pH值越接近于4.8,Ca2+浓度越高,RSF水溶液对通道内拉伸和剪切作用越敏感,经通道内拉伸和剪切后的溶液中无规/α-螺旋构象向p-折叠构象转变的现象就更加明显。本论文以RSF质量分数为40wt%,pH值为4.8,Ca2+浓度为0.3M的RSF水溶液为例,在其他通道参数都相同的情况下,进一步研究了高质量分数RSF水溶液分别对不同的通道内拉伸速率和剪切时间的敏感性。实验证明,通道内拉伸速率的提高和剪切时间的增加均使得α-螺旋/无规卷曲向β-折叠结构转变的趋势更明显,且适当增加通道内剪切时间可以与提高通道内拉伸速率等效。在上述研究基础上,本论文利用模拟生物纺丝器形状的微流体通道,成功实现了对RSF质量分数为50wt%, Ca2+浓度为0.3M,pH值为4.8的RSF水溶液的纺丝。在其他通道参数都相同的基础上,分别研究了不同通道内拉伸和剪切条件对RSF水溶液的可纺性和初生纤维的结构和力学性能的影响,分析了后处理前后纤维结构和性能的演变过程。研究表明,通道内拉伸速率、拉伸时间和剪切速率的增加改善了RSF初生纤维的二级结构和结晶结构：无规/α-螺旋构象向β-折叠构象发生明显的转变;结晶度提高,silk Ⅱ晶形的晶粒尺寸减小；因此也提高了RSF初生纤维的力学性能。后处理过程改善了RSF纤维的二级结构和结晶结构,提高了纤维的力学性能；而且通道内拉伸速率、拉伸时间和剪切速率的增加完善了RSF后处理纤维的二级结构和结晶结构,也大幅度提高了RSF后处理纤维的力学性能。在通道内剪切速率和剪切时间一定的实验条件下,固定通道内拉伸倍数,通过增加通道内拉伸时间,研究通道内拉伸速率对RSF纤维的结构和力学性能的影响,结果表明：通道内拉伸速率的改变对初生纤维和后处理的结构和力学性能没有明显的影响。在通道内拉伸速率和拉伸时间一定的实验条件下,固定通道内剪切速率,研究通道内剪切时间对RSF纤维的结构和力学性能的影响,结果表明：通道内剪切时间的增长对RSF初生纤维的结构改善和力学性能的提高有一定的贡献；而且,通道内剪切时间的增长促进了RSF后处理纤维中无规/α-螺旋构象向β-折叠构象的转变,更提高了RSF后处理纤维的结晶度,减小了silk Ⅱ晶形的晶粒尺寸。最后,本论文还利用通道出口宽度不同(通道内拉伸条件和剪切条件不同)的微流体芯片尝试了对RSF质量分数为50wt%, Ca2+浓度为0.3M,pH值未调节(呈中性)的RSF水溶液的纺丝,结果表明：通道出口较宽(通道内拉伸和剪切条件较缓和)的芯片能够连续纺丝,且所纺得的RSF初生纤维具有一定的力学性能；通道出口较窄的芯片目前尚不能连续纺丝,有待进一步研究。