再生丝素蛋白水溶液的干法纺丝

以高浓度再生丝素蛋白水溶液为纺丝液,采用自制毛细管纺丝装置制备了再生丝素蛋白纤维.探讨了丝素蛋白分子量、pH、金属离子及纺丝工艺参数对溶液可纺性及纤维力学性能的影响.结果表明:当pH为5.2～6.0时,纺丝液表现出良好的可纺性,尤其以pH=6.0、Ca2+浓度为0.3 mol/L的纺丝液可纺性最佳.在最佳纺丝条件下(纺丝管长径比为133;卷绕速率为30mm/s)制得的纤维力学强度最高约为45.5 MPa.     

再生丝素蛋白干纺纤维的后处理体系及方法

模仿蚕的干法纺丝工艺,制备了再生丝素蛋白纤维,并通过后处理进一步提高了其力学性能。结果表明:与无机盐水溶液后处理体系相比,醇的水溶液可显著促使蛋白构象从无规卷曲及α-helix转变为β-sheet。同时通过拉伸诱导β-sheet构象取向,干纺纤维的力学强度可大幅提高。在φ=80%的乙醇-水溶液中,将初生丝拉伸2倍后再浸泡1 h,其断裂强度可达200 MPa,断裂伸长率可达48%。     

后处理过程中以水为溶剂的干法纺再生丝素纤维的结构演变

以水为溶剂的干法纺再生丝素蛋白纤维可通过后处理提高其力学性能,且后处理方法对纤维性能的提高程度有很大影响。为了优化干法纺再生丝素蛋白纤维的后处理工艺,定量研究了两种后处理方法中再生丝素蛋白分子的取向结构和构象演变,即方法A(纤维先在φ=80%的乙醇水溶液中浸泡1 h,再在热蒸汽中拉伸2倍)与方法B(纤维先在φ=80%的乙醇水溶液中拉伸2倍,再在该溶液中浸泡1 h)。探讨了纤维结构变化与力学性能之间的关系。结果表明:在乙醇水溶液中或在热蒸汽中拉伸均比仅在乙醇水溶液中浸泡更有利于丝素蛋白的构象转变,也对提高丝素蛋白分子链的取向更为有效。与方法A相比,方法B更能提高纤维的取向程度、β-折叠构象的含量以及力学性能。     

微流体芯片动态调控蛋白水溶液pH或Ca~(2+)浓度

模拟蚕和蜘蛛的纺丝系统,以载玻片(75×25mm)为基片,SU-8为阳模材料,聚二甲基硅氧烷(PDMS)为微通道(宽500μm,深100μm)构筑材料,利用光刻及模塑成型等技术设计、制备了微流体芯片,并应用于再生丝素蛋白(RSF)水溶液组成的动态调控。该芯片利用微流体的层流特性使RSF水溶液与pH缓冲液或钙离子缓冲液在微通道内平行流动而不发生混合。在水溶液中RSF质量分数不变的前提下,通过离子扩散实现了流动场下RSF水溶液pH值或钙离子浓度的动态调控。     

丝素蛋白的构象转变

丝素蛋白的构象转变于同隐，张胜，邵正中（复旦大学高分子科学系和聚合物分子工程开放实验室，上海，２００４３３）关键词丝素蛋白，构象转变，扫描隧道显微镜桑蚕丝素蛋白是生丝的主要组分。蚕在作茧时，将体内水溶性的丝素蛋白排出体外，成为不溶性的茧丝，这一过程既...     

静电纺制备丝素蛋白纳米纤维及其复合纳米纤维的研究进展

将生物材料通过静电纺丝制备成的纳米纤维,具有比表面积大、空隙率高、生物相容性好等优点,因此得到广泛研究。本文主要综述了近年来国内外静电纺丝制备丝素蛋白纳米纤维的研究现状,重点介绍了采用不同溶剂制备的纯丝素蛋白纳米纤维和丝素蛋白与其它材料复合制备的丝素蛋白复合纳米纤维,并展望丝素蛋白纳米纤维潜在的应用前景。     

紫外光辐照制备超亲水再生丝素蛋白膜

众多的研究已表明生物材料的表面润湿性(wettability)对于细胞的粘附有重要的影响. 在通过浇铸成膜并辅以乙醇后处理方法制备非水溶性再生丝素蛋白膜的基础上,我们采用紫外光辐照的方法以改变此类丝素蛋白膜的表面特性. 接触角测试的结果显示,随着紫外光照时间的增加,丝素蛋白膜表面与水的接触角逐渐降低,最终可以达到超亲水的状态;表面X射线光电子能谱(XPS)分析表明,这是由于丝素蛋白膜表面亲水性基团(包括羧基和羰基等)的含量随着紫外光照时间的延长而增加所致. 同时我们发现,经紫外光辐照一定时间后,再生丝素蛋白膜的力学性能并没有发生显著的降低. 显然,此类具有较高力学性能且表面亲水性能较好的再生丝素蛋白膜有可能被进一步应用于生物医学领域.     

丝素蛋白纤维及功能化材料的设计与构筑

随着环境污染、资源枯竭和医疗健康等问题的加剧,研发同时满足特定使用性能、安全性及可再生性的新型材料成为当前的发展趋势.而丝素蛋白材料正是以天然蚕丝为基本原材料,经一定的加工和功能化而形成的具有特殊结构、独特性能和广泛应用的生物质材料,近年来在生物医药、生物电子、智能传感等领域展现出巨大的应用潜力.本专论总结了丝素蛋白纤维及功能化材料的最新成果,结合本课题组相关工作,重点阐述了再生丝素蛋白纤维的仿生制备、生物医用支架的构筑与功能化、智能电子材料的设计以及天然多功能蚕丝及其构筑基元制备的研究进展,以期为高性能丝素蛋白材料的设计与构筑提供指导和借鉴.     

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.     

光谱法研究pH值对再生桑蚕丝素蛋白在水溶液中结构的影响

通过一系列光谱实验手段研究了再生桑蚕(Bombyx mori)丝素蛋白在水溶液中的构象转变情况. 由于丝素蛋白含有较多带电荷的氨基酸残基, 因此环境pH值对丝素蛋白的结构有着一定的影响: 酸性越强, 丝素蛋白越容易发生从无规线团到β-折叠结构转变; 相对而言, 碱性条件则更有利于丝素蛋白以无规线团结构稳定存在. 特别是当pH在4附近时, 丝素蛋白的无规结构最易发生改变; 而pH为6左右时, 丝素蛋白的结构则较为稳定. 这种变化趋势与沿着成熟蚕腺体中丝素蛋白所处的环境及其状态相当吻合, 由此表明pH值的调节是蚕在生物体中控制其丝素蛋白状态的一个相当重要的手段. 这一结果对人工纺制动物丝条件的调控有着极其重要的现实意义. 同时我们还发现, 在相当宽的pH范围内, 丝素蛋白的二级结构存在着中间体形态, 表明丝素蛋白的变性过程不符合简单的二态机制.     

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。     

再生蚕丝的制备及其结构和性能初探

在制备高浓度高分子量蚕丝素蛋白水溶液的基础上, 采用湿法纺丝技术, 在一定条件下纺制出力学性能优于天然蚕(茧)丝的再生蚕丝纤维, 其断裂强度及断裂伸长率分别达到0.5 GPa和20%. 扫描电镜观察结果显示: 初生纤维具有典型的“皮芯”结构, 而纤维内部则为疏松多孔的网状或蜂窝状结构; 经过一定的后拉伸处理后, 纤维的表面变得光滑, 且内部结构也趋于致密. 固体 13C核磁共振及拉曼光谱分析结果表明, 后拉伸及热湿处理均有利于提高纤维内部β-折叠结构的含量, 分子链的规整度和取向性也随之改善, 从而使再生蚕丝纤维的力学性能得到进一步提高.     

Silk fibroin solution properties related to assembly and structure

The impact of physiological factors on silk fibroin solution properties was studied. Specifically, the impact of fibroin concentration, protein purity, cation type and concentration, and pH on aqueous solution viscosity, shear behavior, and surface tension were assessed in the context of silk protein assembly. The results demonstrate that in vitro results could be correlated to in vivo processing events during silk spinning. Rheological properties with reference to the amphiphilic block structure of the protein are described, pH dependency of shear response was quantitatively correlated to the predicted pI values of the fibroin protein, and cooperativity among environmental factors such as pH and salts was identified. Stabilization of silk fibroin solution states by calcium was identified as a mode to control shear sensitivity of the fibroin solution. The cooperativities identified suggest tight control of fibroin aqueous solution rheological properties to gain a window of protection against premature crystallization of the fibroin during processing, assuring safe storage, transport, and finally successful fiber spinning.     

蜘蛛与蚕的人工强制纺丝研究进展

为制备高性能人造蜘蛛丝和蚕丝,人们在蜘蛛丝蛋白的基因重组、再生蜘蛛丝蛋白或蚕丝蛋白的仿生纺丝,以及蜘蛛与蚕的人工强制纺丝方面开展了大量工作.研究了人工强制纺丝,比较了蜘蛛牵引丝和蚕丝在不同纺丝条件下的力学性能.结果表明:在一定范围内增加纺丝速率有利于提高蜘蛛丝和蚕丝的力学性能,此外,环境温度、纺丝状态等条件对丝的性能也...     

Structure and structural changes of the silk fibroin from Samia cynthia ricini using nuclear magnetic resonance spectroscopy

The structure of silk fibroin from a wild silkworm, S. c. ricini, the amino acid sequence of which consists of repeated poly-Ala and Gly-rich regions, was examined by using solution and solid-state NMR methods. The structural transition of the silk fibroin in aqueous solution was monitored by using 13C solution NMR spectroscopy as a function of temperature. The fast exchange with respect to the chemical shift between the helix and coil conformations was observed in the poly-Ala region and the slow conformational change from alpha-helix to random coil was observed for the Gly residue adjacent to the N-terminal Ala residue of the poly-Ala region. The torsion angles of several Ala and Gly residues in the model peptide, GGAGGGYGGDGG(A)12GGA-GDGYGAG, were determined by the conformation-dependent 13C chemical shifts, rotational echo double resonance (REDOR) and 2D spin-diffusion NMR methods. The solid-state NMR analysis leads to the precise silk structure before spinning, where the poly-Ala sequence takes a typical alpha-helix pattern with a tightly winded helical structure at both terminal regions of the poly-Ala sequence. This is expected to stabilize the alpha-helical structure of the poly-Ala region in S. c. ricini silk fibroin from the silkworm.     

Cecropin B抗菌肽接枝丝素蛋白膜的制备和表征

以体积分数为60%的乙醇处理制得不溶性再生丝素膜, 通过碳二亚胺法将Cecropin B抗菌肽共价接枝到丝素膜表面, 利用红外光谱、扫描电镜、X射线能谱和抗菌性测试等手段对制得的丝素膜结构和表面特性及其抗菌性能进行了测试分析. 结果表明, Cecropin B抗菌肽成功地接枝到了丝素膜的表面, 接枝后的丝素膜水溶性低, 并具有良好、 持久的抗菌能力.     

蚕体内不同丝腺部位丝蛋白溶液结构与性质的研究

采用偏光显微镜研究了蚕体内不同丝腺部位(包括前部、中部和后部)中丝蛋白溶液的性质变化,并采用了拉曼光谱和旋转流变仪对中部丝腺(包括前区、中区及后区)的丝蛋白分子结构和流变性能进行了分析。结果发现:蚕体内只有前部丝腺及中部丝腺前区的丝蛋白溶液具有偏光现象;丝蛋白溶液在由中部丝腺后区向前区流动的过程中,粘度及弹性均逐渐变小,其构象则由无规卷曲逐渐向α-螺旋转变,并进一步形成β-折叠构象。由此表明,在蚕体内中部丝腺前区的丝蛋白溶液很可能已经形成了液晶态结构。     

pH值对丝素蛋白构象转变的影响

模仿家蚕吐丝过程中伴随丝素蛋白自然脱水的纤维化过程,研究了再生丝素蛋白在各种pH值的磷酸盐缓冲溶液体系中自然干燥脱水成膜后的构象转变.利用激光拉曼散射光谱及其二维相关光谱,定性分析了丝素蛋白酰胺区(1600～1700cm^-1)散射峰的相关组成及结构.在此基础上,利用¹³CCP-MAS固体核磁共振谱对丝素蛋白丙氨酸C_β峰(δ14.5～22)进行了解析拟合.从而确定了体系中与Silk及Silk构象相关的组成含量与pH值的关系.结果表明,pH=5.2的酸性溶液有利于蚕丝丝素蛋白从Silk向Silk构象转变,而中性与碱性溶液(pH=6.9和8.0)则对丝素蛋白的构象转变影响甚小.