蚕丝蛋白与类动物丝蛋白聚合物共混膜的振动光谱研究

蚕丝纤维具有优良的力学性能 ,不同的环境条件对其力学性能有一定的影响 ,但其力学性能主要取决于形成纤维过程中所形成的以分子链 β-折叠结构及其沿纤维轴方向高度取向为特征的丝纤维凝聚态结构 [1,2 ] .因此在丝纤维的形成及丝蛋白膜的人工制备过程中 ,丝蛋白分子链的构象及其构象转变一直是研究的重点[3～ 6 ] .以蚕丝蛋白 (Silk Fibroin,SF)稀溶液在常温下浇铸的 SF膜一般以无规线团 /α-螺旋为主的构象状态存在 ;经热处理、极性溶剂 (如甲醇等 )处理、应力作用或共混入一些能与SF形成分子间氢键的聚合物组分后 ,SF膜的构象将从无…     

时间分辨红外光谱对丝蛋白膜构象转变动力学的研究——再生蚕丝蛋白膜在高浓度醇溶液中的构象转变

运用时间分辨红外光谱研究再生蚕丝蛋白膜在高浓度醇溶液中(醇含量≥90％) 的构象转变过程．研究结果表明，丝蛋白膜在纯甲醇中可以发生构象转变，但是在 纯乙醇和纯异丙醇中却几乎不能发生构象转变．进一步研究发现，当乙醇和异丙醇 溶液中的水含量达到7％—8％时，丝蛋白开始发生构象转变．在研究的醇溶液浓度 范围中，丝蛋白发生构象转变的速率随醇溶液中水含量的增加而增大．根据实验结 果，认为丝蛋白膜在溶液体系中(无论是有机溶剂溶液还是离子溶液)发生构象转变 ，膜的溶胀是一个前提因素，其原因在于溶胀可使分子链获得运动的空间，从而通 过氢键重组而发生构象转变．     

时间分辨全反射红外光谱对醋酸诱导丝蛋白构象转变的研究

采用时间分辨全反射红外光谱为主要分析手段, 对醋酸在丝蛋白膜中的扩散过程及其对丝蛋白构象转变机理进行了研究. 结果表明, 醋酸能够诱导丝蛋白构象转变为β-折叠. 醋酸的扩散速率和β-折叠构象的生成速率较为相似, 表明醋酸分子渗透到丝蛋白聚集体中是破坏丝蛋白原有氢键并诱导肽链重排, 进而实现构象转变的一个先决条件. 同时, 通过比较真空干燥处理前后丝蛋白膜的实验结果, 证实了丝蛋白中的水含量是影响醋酸的扩散速度以及丝蛋白多肽链重排速度的一个重要因素.     

由分子间氢键导致的丝素构象转变的FT-IR研究

用FT－IR研究发现，在丙烯腈与丙烯酸甲酯的共聚物（PANMA）与聚L-丙氨酸（PLAL）的共混体系中，丝素（SF）与PANMA的共混体系及SF与聚丙烯酸钠（NA）的共混体系中，含有羰基或其它极性基团的高分子与SF形成强弱不等的氢键．由于氢键的形成,使SF分子不得不调整自身的构象，从而引起其构象转变．讨论了可能的分子间氢键的结构．     

甘油对丝素蛋白膜水溶性和结构的影响

探讨了甘油的加入对丝素蛋白溶解过程的结晶结构及结晶度的影响. 以甘油为添加剂用流延法于室温制备一系列丝素共混膜, 测试了其含水率、溶失率及结构和机械性能. 结果表明, 随着甘油加入量的增加, 丝素蛋白的溶失率逐渐降低; 当甘油/丝素质量分数超过10%时, 共混膜呈现水不溶性. 当甘油加入量较少时, 丝素蛋白呈现少量的Silk Ⅱ结晶, 而Silk Ⅰ结构不明显. 随着甘油含量的不断增加, Silk Ⅰ结晶逐渐增加而Silk Ⅱ结晶逐渐减少. 当甘油加入量达到不溶点(10%)时, 丝素蛋白主要转变为Silk Ⅰ结晶, 而几乎没有Silk Ⅱ结晶. 甘油的加入可使共混膜的柔韧性显著提高, 并促使丝素蛋白结晶度提高以及促使丝素蛋白向Silk Ⅰ结晶转变, 从而降低丝素蛋白膜的水溶性.     

时间分辨红外光谱对丝蛋白膜构象转变动力学的研究：不同碱金属离子对蜘蛛丝蛋白膜构象转变的影响

运用时间分辨红外光谱对碱金属盐溶液诱导发生的蜘蛛丝蛋白膜的构象转变过 程进行跟踪研究。结果表明虽然构象转变速率为NaCl>KCl>LiCl，但是在最终完成 构象转变的丝蛋白膜中β－折叠结构的比例却是KCl>LiCl>NaCl。综合膜的构象转 变速率和程度，可以认为在三种碱金属盐中，KCl最有利于丝蛋白的构象转变，这 与钾在蜘蛛吐丝过程中起重要作用的观点（即发现在丝腺体中的丝蛋白胶状物，越 靠近吐丝口，钾离子含量越高）相吻合。同时根据对构象转变动力学数据的分析， 认为蜘蛛丝蛋白膜的构象转变由快速两相组成，其中较快相（相应时间常数为 5min左右）对应于链段运动引起的构象转变，而较慢相（相应时间常数为50min左 右）则对应于整根大分子链的运动引起的构象转变。     

温控分子动力学研究微管蛋白活性肽链的折叠机制

运用温控和常温分子动力学方法, 研究了微管蛋白活性部位Pep1-28肽链的折叠机制, 总模拟时间为380.0 ns. 对于温控分子动力学, 逐渐降温可以清晰显示Pep1-28肽链的折叠途径, 发生明显折叠的温度约为550 K, 其折叠和去折叠可逆机制为U(>1200 K)←→I1(1200-1000 K)←→I2(800 K)←→I3(600 K)←→I4(450 K)←→F1(400 K)←→F2(300 K), 其中U为去折叠态构象, I1、I2、I3和I4是折叠过程中的四个重要的中间态构象, F1和F2是两个结构相近的折叠态构象. 对于常温(300 K)分子动力学, 其构象转变和折叠过程相当迅速, 很难观察到有效、稳定的中间态构象. 尤其引人注意的是, 其折叠态结构陷入了能量局域极小点, 与温控(300 K)的有较大差异, 两者能量差高达297.53 kJ·mol-1. 可见, 温控分子动力学方法不仅清晰地显示多肽和蛋白质折叠过程的重要中间态构象, 为折叠和去折叠机制提供直接、可靠的依据, 而且还有助于跨越较高的构象能垒, 促使多肽和蛋白质折叠以形成全局能量最低的稳定结构.     

静电纺丝素/胶原/聚合物复合纤维的制备及其力学性能的研究

目前,将天然高分子蛋白和聚合物共混利用静电纺丝法制作各种组织工程支架材料倍受关注。基于这种研究背景,在本文中利用静电纺丝技术,制备了丝素(SF)/胶原(COL)/聚左旋乳酸(PLLA)和SF/COL/聚左旋乳酸-己内酯(PLCL)两种共混复合纤维膜,通过扫描电镜(SEM)对纤维形态结构分析,发现复合纤维形貌良好,直径较为均一。同时改变纺丝液中高分子蛋白的比例,复合纤维的直径也随之减小。此外,对复合纤维进行了力学性能测试,发现随着聚合物含量的增加,复合纤维膜的力学性能得以改善,SF/COL/PLCL组复合纤维的拉伸性能明显优于SF/COL/PLLA组。     

DMFC用PES/SPEEK共混阻醇质子交换膜

将磺化聚醚醚酮(SPEEK, 磺化度DS为68.3%)和聚醚砜(PES)两种聚合物共混制得PES/SPEEK共混膜. DSC研究表明两种聚合物之间具有较好的相容性, 因而共混膜均匀致密, 未发生大尺度相分离. PES的混入能有效降低膜的溶胀度及甲醇透过系数. 纯SPEEK 膜40 ℃时在1 mol•L−1甲醇水溶液中溶胀度达到160%, 45 ℃时就完全溶解, 而含30%(w)PES的共混膜在80 ℃时的溶胀度仅有15%. 室温下含20%−30%(w)PES的共混膜的甲醇透过系数为1×10−7 cm2•s−1左右, 比Nafion 115膜的透过系数小一个数量级. 尽管80 ℃下30%(w)PES/SPEEK共混膜的电导率与Nafion 115膜相当, 但由于共混膜的厚度比Nafion 115膜小1/3左右, 膜电阻较小, 因而其电池性能比Nafion 115膜的好.     

天然蚕丝与丝素蛋白多孔膜的生物降解性研究

较为详细地研究了经不同条件处理的丝素蛋白多孔膜材料和天然蚕丝在蛋白酶作用下的降解性能以及降解前后材料的微观形貌和结构的变化. 结果表明, 丝素蛋白材料中不同结构(构象)的含量是影响其降解速度的一个重要因素. 对于由再生丝素溶液所制备的材料, 调控其中Silk II结构(β-折叠构象)的比例可能是控制丝素蛋白材料降解速度的有效途径.     

蚕丝蛋白与硅溶胶复合材料的研究

采用动态力学测试手段(DMA)并结合扫描电镜和拉曼光谱等方法,考察了用桑蚕丝蛋白与二氧化硅水分散体系(硅溶胶)制备的复合材料的结构与性质.结果表明,在此共混体系中,直径约为100 nm的二氧化硅聚集体与丝蛋白连续相的界面相容性良好.动态力学测试发现,复合材料的动态力学性能在15℃到55℃范围相对于纯丝蛋白材料得到了改善,二氧化硅组分的加入对丝蛋白分子链段的运动性有所阻碍,从而导致了40℃模量损耗的消失.     

丝蛋白纤维机理的模型——应力作用下丝蛋白构象的转变

本文用喇曼(Raman)光谱和X-射线衍射等手段研究了桑蚕吐丝过程中丝腺体不同部位的丝蛋白的构象变化。发现随应力增加,从前部丝腺开始,丝蛋白产生了β-折叠构象。通过将丝蛋白直接在拉力机上拉伸,用Raman光谱等手段检测,详细研究了在不同拉伸条件下丝蛋白构象的变化,在微观层次上揭示了丝蛋白在应力作用下变性的全过程,并提出了相应的转变模型。     

金属离子导致的丝素蛋白的构象转变

蚕丝和蜘蛛丝的优异力学性能一直是科学家们关注的课题^[1-3]。近年来,在蚕丝蛋白结构及其构象方面的研究取得了许多进展^[3-5]。在蚕的腺体中丝素蛋白的构象为silk I（主要是无规线团为主,还有少量的β－转角,α螺旋等）,而在纤维状的丝中为silk Ⅱ（主要是β折叠）。金属离子在蚕叶丝过程中的作用也一直是一个人们关心的问题。Chen等^[6]在研究丝胶（包附在丝素蛋白表层的另外一种蛋白）时发现,在一定pH条件下,Ni^2 离子通过四配位的螯合作用诱导丝素蛋白β折叠的形成。并且,Viney等^[7]根据电感耦合等离子体（ICP－MS）技术推测Ca^2 的增加能使β折叠的形成加速。     

丝素褐藻糖胶共混膜的结构与热性能

丝素是蚕丝的主要成分，是人类最早应用的天然蛋白质之一，作为性能优良的天然纤维一直用于纺织行业．近年来，丝素膜由于具有良好的透气透氧性和较少的炎症反应，尤其是对活体组织具有良好的生物相容性的特点，在生物工程和生物医学领域得到广泛地研究，被用作酶的固定化材料和哺乳动物细胞培养的基质、体外组织工程支架和抗凝血材料等．     

用桑蚕丝素蛋白固定脲酶的研究及脲酶电极的制备

提出了一种新的酶固定化方法, 即通过甲醇处理, 使蚕丝素蛋白膜的构象由random coil向β-sheet发生根本性的变化, 从而将酶固定在β-sheet所特有的分子间氢键中。利用此方法所制成的脲酶电极, 在合适的操作条件下, 各项响应指标均令人满意, 并且脲酶的耐温性能被大大提高, 电极的有效使用寿命长达三个月以上。此种酶固定化方法原则上能够应用于其他不破坏蚕丝素蛋白分子结构的可溶性酶。     

Structural changes of silk fibroin membranes induced by immersion in methanol aqueous solutions

Structural changes of native and regenerated silk fibroin membranes were induced by immersion in water-methanol solutions and examined as a function of immersion time and methanol concentration. X-ray diffractometry and infrared spectroscopy data showed that transition from random coil to β-sheet structure occurred favorably when both native and regenerated silk fibroin membranes were immersed in water-methanol solutions, regardless of the different immersion time. Only native silk membrane, treated for 2 min with pure methanol, maintained its original amorphous structure, as demonstrated by differential scanning calorimetric (DSC) curves. The degree of displacement, measured by thermomechanical analysis (TMA), was much greater for regenerated than for native silk fibroin membranes. SDS-PAGE pattern showed that native silk fibroin has a molecular weight of 350, while the regenerated sample is formed by a large number of polypeptides in the range of 200-50 KD. The amount of acidic and basic amino acids decreased slightly in regenerated silk fibroin. Physical properties of silk membranes treated with water-methanol solutions are discussed in terms of membrane structure, treatment conditions, and chemical structure of starting material. © 1994 John Wiley & Sons, Inc.     

Effect of β-sheet crystalline content on mass transfer in silk films

The material properties of silk are favorable for drug delivery due to the ability to control material structure and morphology under ambient, aqueous processing conditions. Mass transport of compounds with varying physical-chemical characteristics was studied in silk fibroin films with control of β-sheet crystalline content. Two compounds, vitamin B12 and fluorescein isothiocynate (FITC) labeled lysozyme were studied in a diffusion apparatus to determine transport through silk films. The films exhibited size exclusion phenomenon with permeability coefficients with contrasting trends with increases in β-sheet crystallinity. The size exclusion phenomenon observed with the two model compounds was characterized by contrasting trends in permeability coefficients of the films as a function of β-sheet crystallinity. The diffusivity of the compounds was examined in the context of free volume theory. Apart from the β-sheet crystallinity, size of the compound and its interactions with silk influenced mass transfer. Diffusivity of vitamin B12 was modeled to define a power law relationship with β-sheet crystallinity. The results of the study demonstrate that diffusion of therapeutic agents though silk fibroin films can be directed to match a desired rate by modulating secondary structure of the silk proteins.     

Structural changes induced in tussah silk (Antheraea pernyi) fibroin films by immersion in methanol

The crystalline transition induced by immersion in a methanol/water mixture of tussah silk fibroin (from Antheraea pernyi) film obtained by casting from a 1% solution was studied by x-ray diffraction, differential scanning calorimetry, and infrared spectroscopy. The molecular conformation of the fibroin, consisting mostly of the α-helix and random-coil forms, was transformed into a random-coil and β-rich conformation containing only a small amount of α-helix after immersion for no more than 5 min. The intersheet packing of the β-crystal of the original tussah silk fibroin film was imperfect in the early stage of immersion. However, crystallization proceeded further when the immersion time exceeded 10 min. As a result the sheets in the β-form crystal became closely packed because of the decrease in the content of the random-coil form. The exothermic peak, which appeared at 226°C in the original fibroin and was attributed to the random-coil → β-structure transition, disappeared completely after immersion for 5 min.