基于动物丝蛋白的人工纺丝

动物丝,特别是蜘蛛丝近年来由于其优异的综合力学性能而备受关注.但是天然动物丝的应用由于种种原因而受到各种限制,因此人们期望通过人工纺丝获得性能与天然动物丝相近的人工丝纤维.本文就采用动物丝蛋白进行人工纺丝的历史和现状,从再生蜘蛛丝蛋白、重组蜘蛛丝蛋白和再生蚕丝蛋白等方面进行综述,比较了天然动物丝和人工丝纤维的力学性能,并且探讨了人工生物模拟纺丝制备高性能人工丝纤维(超级纤维)的前景.     

基于动物丝蛋白的人工纺丝

动物丝,特别是蜘蛛丝近年来由于其优异的综合力学性能而备受关注。但是天然动物丝的应用由于种种原因而受到各种限制,因此人们期望通过人工纺丝获得性能与天然动物丝相近的人工丝纤维。本文就采用动物丝蛋白进行人工纺丝的历史和现状,从再生蜘蛛丝蛋白、重组蜘蛛丝蛋白和再生蚕丝蛋白等方面进行综述,比较了天然动物丝和人工丝纤维的力学性能,并且探讨了人工生物模拟纺丝制备高性能人工丝纤维(超级纤维)的前景。     

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...     

桑蚕丝腺体和丝纤维中金属离子的含量

用不同的测试方法, 即质子诱导X射线发射(PIXE)、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)和原子吸收光谱(AAS)对桑蚕丝腺体和丝纤维中金属元素的含量进行了详细的表征. 结果表明, 在桑蚕丝腺体和丝纤维中含有钠、镁、钾、钙、铜、锌、铁、锰八种金属元素, 同时还可能含有微量的铷和锶. 这些金属元素在丝腺体和各种丝纤维(蚕茧丝、强拉丝和脱胶丝)中的含量都有所变化, 而这些变化可能与之在成丝过程(丝蛋白的构象转变过程)中所起的作用有关.     

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…     

从天然动物丝到丝蛋白基材料的研究

作为具有优异综合力学性能的天然蛋白质纤维,丰产的动物丝特别是蚕丝长期伴随着人们的日常生活,近十余年来,各种具有特色的功能性丝蛋白基材料更是层出不穷.但在探索动物丝和丝蛋白基材料的过程中,动物丝纤维是经由蚕或蜘蛛等动物的纺器而纺制得到的简单事实往往被忽视;换言之,动物丝实际上是动物对丝蛋白进行体内“加工”后的产物,也是丝蛋白基材料中的一种.因此,天然动物丝中独特的各等级间构效关系与丝蛋白基材料的构效关系之间并不存在着必然的传承效应.本文着重介绍了我们在对动物丝和丝蛋白基材料探索中的经验和体会,即在强调以丝蛋白分子链结构与性能及其之间的关系为研究重点的基础上,从比较和发掘各种天然动物丝的特性入手,进而了解丝蛋白分子链在本体和溶液中的行为,并通过对动物丝蛋白分子链聚集态结构的调控,以达到设计制备一系列多形貌和多功能的动物丝蛋白基材料的目的.     

纺丝条件及纺丝液组成对丝素-丝胶蛋白同轴干纺纤维的影响

为了模仿家蚕的纺丝工艺及天然蚕丝的组成和皮芯结构,利用同轴干法纺丝技术制备了以再生丝素蛋白（RSF）为芯层、丝胶蛋白（SS）为皮层的RSF-SS纤维。研究了卷绕速率及芯层纺丝液中RSF质量分数对纤维形貌、2级结构及力学性能的影响。结果表明：复合纤维具有明显的皮芯结构;相对于RSF的质量分数,卷绕速率对纤维结构和性能的影...     

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.     

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。     

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。     

再生丝素固定乙酰胆碱酯酶生物传感器

再生丝素固定乙酰胆碱酯酶生物传感器;生物传感器;乙酰胆碱酯酶;再生丝素     

The Energy Requirements for Flow‐Induced Solidification of Silk

Natural silk spinning has undergone strong selection for resource efficiency and thus presents a biomimetic ideal for fiber production. Industrial replication of natural silk fibers would enable access to low energy, cost‐efficient processing, but is hampered by a lack of understanding surrounding the conversion of liquid feedstock into a solid fiber as a result of flow. Previously, shear stress, shear rate, or time have been presented as criteria for silk fiber formation, but here it is proposed that spinning requires carefully balancing all three, and is a result of controlled energy accumulation in the feedstock. To support this hypothesis, rheology is used to probe the energy required for conversion, compare differences between amorphous solid and ordered fiber production and explain the energetic penalty the latter demands. New definitions of what constitutes an artificial silk fiber are discussed, along with methods to ensure that each spinning criterion is met during biomimetic spinning.     

红外和拉曼光谱用于对丝蛋白构象的研究

动物丝纤维和相关丝蛋白材料的性能与丝蛋白本身的二级结构即构象密切相关。红外光谱和拉曼光谱是研究蛋白质构象的有力手段,因此在丝蛋白结构的研究中也有广泛的应用。本文综述了红外光谱和拉曼光谱在家蚕、野蚕(主要是柞蚕)和蜘蛛丝蛋白研究方面的应用,并对表征丝蛋白各种构象的红外和拉曼特征峰进行了较为全面的归纳总结。     

In Vivo Biological Responses to Silk Proteins Functionalized with Bone Sialoprotein

Recombinant 6mer + BSP protein, combining six repeats of the consensus sequence for Nephila clavipes dragline (6mer) and bone sialoprotein sequence (BSP), shows good support for cell viability and induces the nucleation of hydroxyapatite and tricalcium phosphate during osteoblast in vitro culture. The present study is conducted to characterize this bioengineered protein‐based biomaterial further for in vivo behavior related to biocompatibility. 6mer + BSP protein films are implanted in subcutaneous pouches in the back of mice and responses are evaluated by flow cytometry and histology. The results show no major differences between the inflammatory responses induced by 6mer + BSP films and the responses observed for the controls. Thus, this new chimeric protein could represent an alternative for bone regeneration applications.

     

Roll-to-Roll Production of Spider Silk Nanofiber Nonwoven Meshes Using Centrifugal Electrospinning for Filtration Applications

Filtration systems used in technical and medical applications require components for fine particle deep filtration to be highly efficient and at the same time air permeable. In high efficiency filters, nonwoven meshes, which show increased performance based on small fiber diameters (e.g., using nanofibers), can be used as fine particle filter layers. Nanofiber nonwoven meshes made by electrospinning of spider silk proteins have been recently shown to exhibit required filter properties. Needle-based electrospinning, however, is limited regarding its productivity and scalability. Centrifugal electrospinning, in contrast, has been shown to allow manufacturing of ultrathin polymer nonwoven meshes in an efficient and scalable manner. Here, continuous roll-to-roll production of nonwoven meshes made of recombinant spider silk proteins is established using centrifugal electrospinning. The produced spider silk nanofiber meshes show high filter efficiency in the case of fine particulate matter below 2.5 µm (PM2.5) and a low pressure drop, resulting in excellent filter quality.