（纺织材料与纺织品设计专业论文）再生家蚕丝素蛋白结构转变的研究[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

再生家蚕丝素蛋白结构转变的研究中文摘要 再生家蚕丝素蛋白结构转变的研究 中文摘要 研究了空气对丝素溶液表面的丝素蛋白构象转变的诱导作用。用x 一射线衍射、 傅立叶变换红外吸收光谱，激光拉曼光谱对丝素溶液在空气诱导下形成的丝素膜的 结构分析表明，空气能显著促进丝素蛋白构象从无规卷曲向a 型结构和p 一折叠结构 转变。 研究了乙二醇、丙三醇、聚乙二醇4 0 0 、聚乙二醇6 0 0 对丝素蛋白构象转变的 影响。多元醇添加量为1 0 0 左右时，再生丝素溶液凝胶化速度略有减慢；当添加量 为3 0 0 及以上时，再生丝素溶液凝胶化速度显著加快；在丝素溶液中，多元醇的添 加量越多，则形成的凝胶的结晶度越低；多元醇添加量为9 0 0 时会妨碍丝素蛋白形 成d 一折叠结构。 研究了超声波对丝素蛋白构象转变的影响，对施加超声波作用后形成的丝素凝 胶的结构的分析表明，超声波作用能缩短再生家蚕丝素溶液的凝胶化时间，原因是 超声波作用能加快丝素溶液中丝素蛋白构象由无规卷曲向p 一折叠结构的转变。超声 波的功率大小对最终形成的丝素凝胶的聚集态结构和结晶度无显著影响。 研究了施加剪切力作用后形成的丝素凝胶的结构，结果表明，剪切作用能够通 过促进丝素溶液中丝素蛋白构象的p 化来加速丝素溶液的凝胶化，1 5 0 f r a i n 的剪切 速率能更好促进丝素溶液的凝胶化。与未加剪切作用自然形成的丝素凝胶相比，剪 切作用后形成的丝素凝胶结晶度有所提高。 关键词：再生丝素；结构转变；多元醇；剪切力；超声波 作者：成蓥栋 指导教师：李明忠教授 r e s e a r c ho nt h es t r u c t u r a lt r a n s f o r m a t i o no f r e g c n c r a t c db o m b y xm o i ls i l kf i b r o i n r e s e a r c ho nt h es t r u c t u r a lt r a n s f o r ma t i o no f r e g e n e r a t e db o m b y x m o r is i l kf i b r o i n a b s t r a c t w ef o c u s e do nt h es t r u c t u r a lt r a n s f o r m a t i o no fs i l kf i b r o i np r o t e i n sa tt h ea i r - w a t e r i n t e r f a c e b ym e a n so fx - r a yd i f f r a c t i o n ，h 卜承s p e c t r o s c o p y , r a m a ns p e c t r o s c o p ya n d s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y , w ea n a l y z e dt h es t r u c t u r eo fs i l kf i l m sw h i c hw e r e f o r m e da tt h ea i r - w a t e ri n t e r f a c eb yt h ei n d u c t i o no fa i r ，a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a ta i r c a nd r i v et h es t r u c t u r a lt r a n s f o r m a t i o no fs i l kf i b r o i np r o t e i nf r o mr a n d o mc o i lt oi l - f o r m o rp - f o r m 1 1 1 ee f f e c to f g l y c o l 、g l y c e r i n 、p o l y e t h y l e n eg l y c o l ( m 0 1 w t 4 0 0 ) 、p o l y e t h y l e n e g l y e o l ( m 0 1 w t 6 0 0 ) o nt h es t r u c t u r a lt r a n s f o r m a t i o no fs i l kf i b r o i np r o t e i nw a ss t u d i e d w h e nt h ea d d i t i o no fp o l y a l c o h o lr e a c h e d10 0 ，t h eg e l a t i o no fs i l kf i b r o i ns o l u t i o n w o u l db ed e l a y e d , b u tw h e nt h ea d d i t i o nr a i s e d3 0 0 a n dm o r e ，t h eg e l a t i o no fs i l k f i b r o i ns o l u t i o nw o u l db ea c c e l e r a t e d t h em o r et h ea d d i t i o n , t h el o w e rt h ec r y s t a l l m i 啦 o ft h es i l kf i b r o i nh y d r o g e l s a d d i n gm o r ep o l y a l c o h o l ( s u c h 嬲9 0 0 ) w i l lo b s t r u c tt h e f o r m a t i o no fp s h e e t 。 ，1 1 1 ee f f e c to fs u p e r a u d i b l eo nt h es t r u c t u r a lt r a n s f o r m a t i o no fs i l kf i b r o i np r o t e i n w a ss t u d i e d w ea n a l y z e dt h es t r u c t u r eo fs i l kf i b r o i nh y d r o g e l sa n dt h er e s u l t ss h o w e d t h a t s u p e r a u d i b l ec a n a c c e l e r a t et h e g e l a t i o no fs i l k f i b r o i ns o l u t i o n , b e c a u s e s u p e r a u d i b l ec a na c c e l e r a t et h es t r u c t u r a lt r a n s f o r m a t i o no fs i l kf i b r o i np r o t e i nf r o m r a n d o mc o i lt o1 3 - s h e e t h y p e r a c o u s t i cp o w e rd o e sn o ta f f e c tt h ec o n d e n s e ds t r u c t u r ea n d c r y s t a l l i n i t yo fs i l kf i b r o i nh y d r o g e l so b v i o u s l y 硼舱e f f e c to fs h e a r i n gf o r c eo nt h es t r u c t u r a lt r a n s f o r m a t i o no fs i l kf i b r o i np r o t e i n w a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts h e a r i n gf o r c ec a na c c e l e r a t et h eg e l a t i o no fs i l k f i b r o i ns o l u t i o n , b e c a u s es h e a r i n gf o r c ec a na c c e l e r a t et h ef o r m a t i o no fs - f o r m a f t e r s h e a r i n g ，t h ec r y s t a u i n i t yo fs i l kf i b r o i nh y d r o g e lw a si m p r o v e d ms h e a r i n gr a t eo f 15 0 r m i ni se x c e l l e n tf o rt h ea c c e l e r a t i o no fg e l a t i o na n dc r y s t a l l i n i t yo fs i l kf i b r o i n t t r e s e a r c ho nt h e s t r u c t u r a lt r a n s f o r m a t i o n o f r e g e n e r a t e db o m b y xm o i ls i l kf i b r o i n h y d r o g e l k e yw o r d s ：r e g e n e r a t e ds i l kf i b r o i n ；s t r u c t u r a lt r a n s f o r m a t i o n ；p o l y a l c o h o l ；s h e a r i n gf o r c e ； s u p e r a u d i b t e f i i w r i t t e n b y ：c h e n gy m g d o n g s u p e r v i s e db y ：p r o f l im i n g z h o n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：辎日 期：j 塑型 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 日期： 日期： 土炉r 广，i g 1 ；t1 再生家蚕丝素蛋白结构转变的研究第一章引言 第一章引言 1 1 家蚕丝素蛋白的结构及生物相容性 家蚕丝主要由丝素( 7 0 - 7 5 ) 和丝胶( 2 0 一2 5 ) 两种蛋白质组成。丝素、丝胶由 家蚕体内的绢丝腺合成和分泌。绢丝腺分为前部、中部、后部三个区域，后部绢丝腺 合成和分泌液状丝素，液状丝素流入中部绢丝腺时被中部绢丝腺分泌的液状丝胶包覆 着一起向前推进，经过一系列生化、物理因素的协同作用完成纤维化而形成茧丝n 2 】。 丝素由2 0 种氨基酸组成，每个大分子复合体的分子量约为2 ，3 0 0 k d a ，包含重链 ( h 链，分子量为3 5 0 k d a ) 、轻链( l 链，分子量为2 6 k d a ) 和糖蛋白p 。( 分子量为 3 0 k d a ) ，三者比例为h ；l ：p 衢= 6 ：6 ：1 ，重链和轻链由各自c 末端的半胱氨酸残基 形成二硫键而相互连接，糖蛋白p 筠以非共价相互作用加入复合体中，有助于形成稳 定的轻重链复合1 。h 链包含1 5 1 个氨基酸残基长度的非重复n 末端序列( 信号肽) ： 5 0 5 4 个氨基酸残基长度的核心区域，它由1 1 个短的无定形区( 重复序列编码4 3 个 氨基酸) 和1 2 个1 - 2 k b 长度的结晶区交替出现；以及5 8 个氨基酸残基长度的c 一末 端序列。h 链大部分序列是低复杂度的，由2 3 7 7 个g l y x ( g 均二肽复合单元组成， 是非常容易结晶的肽链h 1 。l 链中含有三个半胱氨酸残基，其中2 个半胱氨酸残基形 成分子内二硫键，第三个半胱氨酸残基位于c 一末端较亲水区域内，与丝素蛋白h 链 第5 2 4 4 号氨基酸形成链问二硫键组装成丝素蛋白晦1 。氏链含有8 个半胱氨酸残基， 形成4 个分子内二硫键，主要控制丝素蛋白的折叠，通过疏水性相互作用及氢键，诱 导丝素蛋白进行旷折叠，形成规整的结构旧。 家蚕丝素纤维中包含结晶区和非结晶区，两者交替分布，h 链交替穿过结晶区和 非结晶区。对于丝素的结晶形态，m s h i m i z u m 首先发现家蚕丝素的两种结晶形态：口 型和b 型。在其后，k r a t k y 阱证明了两种结晶形态的存在，并指出丝素a 型的分子结 构并非一般蛋白质中的a 螺旋结构。为避免混淆，通常把丝素的a 型和1 3 型称为s i l ki 和s i l ki i 。s i l ki 的晶体结构模型由b l o t s 叭提出，另外平林洁、小西孝等n 们也对其 进行过研究，其立体构象呈曲柄型，是介于旷螺旋和b 一折叠之间的一种中间形态。 s i l k i i 的晶体结构模型由m a r s h n 妇根据x 一射线衍射结果提出，是反平行d 一折叠层结构， 属斜方晶系。 家蚕丝素具有优良的生物相容性，目前丝素在生物与医用材料领域的应用研究和 再生家蚕丝素蛋白结构转变的研究第一章引言 应用基础研究非常活跃。要将细胞在体外种植于组织工程支架材料上进行培养，使其 黏附、分化和增殖，形成具有良好结构和功能的活组织，或者把生物材料植入生物体 中诱导组织生长等等，对支架材料的生物相容性要求很高，而至今的相关研究表明丝 素是优良的生物医用选择材料之一。 i l a r i a 等n 2 1 在鼠的皮下植入家蚕丝素多孔材料，六个月后发现，丝素多孔材料不 仅具有良好的生物相容性，而且还能诱导网状结缔组织血管物质的再生。 s u g i h a r a n 3 1 将丝素无纺布植入体内，除了引起轻微的异物反应外，材料并没有纤 维化，在植入的6 个月内没有观察到明显的淋巴细胞的渗入，说明丝素无纺布具有良 好的生物相容性。 u n g e r 等n 钔就人类细胞对丝素蛋白无纺材料的反应进行了研究。他们在丝素蛋白 无纺材料上种植了各种人体组织细胞，诸如上皮细胞、内皮细胞、表皮细胞、骨细胞 等，用激光共聚焦显微镜和电子显微镜观察了细胞在丝素蛋白无纺材料上的黏附和生 长情况。结果显示，这些细胞能够在无纺材料上迅速黏附并增殖，大部分细胞能在材 料上生长至少7 个星期。细胞不仅能覆盖单根纤维的表面而且能在纤维与纤维问架桥 形成组织结构。从扫描电镜中观察到细胞与纤维结合紧密，但细胞的生长并没有改变 纤维的结构。 丝素创面保护膜已经临床应用于烧伤病人，由于其透明，便于观察创面，与创口 粘贴紧密，防止感染，透湿性较好，能很好地保护烧伤面的愈合，适合于浅度烧伤、 烫伤和整形取皮区等创面的保护和治疗 1 s - l e l 。 有研究n 竹把多孔丝素膜用作药物载体，通过控制丝素结晶度来控制药物释放的时 间，过程中丝素不会对药物产生破坏。 t s u t o m u 等n 羽将丝素纤维和异丁烯酰磷酸胆碱( m p c ，2 - m e t h a e r y l o y e t h y l p h o s p h o r y l e h o l i n e ) 进行接枝反应，结果显示出入体血小板和这种材料之间的相互作 用较弱，血小板粘附比纯丝素纤维明显降低，说明这种丝素纤维m p c 复合材料具有 很好的抗凝血效果。硫化丝素也具有很好的抗血凝性n 蚓，可以通过丝素蛋白与硫酸 或氯代硫酸在嘧啶溶液中反应所得。硫化后的丝素能延长血液凝固时间，随着硫酸基 团的增加，抗血凝性有明显的提高。 m a k o t o 等口u 用物理方法固定葡萄糖氧化酶。主要方法是通过对丝素膜进行拉伸 处理，使丝素膜发生从无规卷曲向p 一折叠结构的转变，从而使葡萄糖氧化酶得到固 定，并应用于葡萄糖传感器。 2 再生家蚕丝素蛋白结构转变的研究 第一章引言 k a p l a n 等口2 2 3 1 对丝素蛋白支架材料用于骨组织工程方面进行了研究，研究结果 指出，丝素蛋白材料支持h m s c s ( 入骨髓间充质细胞) 的生长和分化，有利于骨的 生成。他们还把种植了h m s c s 的丝素蛋白支架材料用于体内和体外培养，实验证明 经过体外培养的h m s c s 丝素蛋白复合支架材料具有良好的成骨能力，能够治愈临界 尺寸的骨缺损。 上述研究均表明丝素蛋白材料作为一类良好的生物相容性材料，能支持细胞的黏 附、分化和增殖，在多种软、硬组织的修复、细胞培养载体、药物控制释放载体等领 域，有广阔的开发应用前景。 1 2 丝素蛋白膜的结构转变 丝素蛋白材料的耐水性、强伸度、柔软性、生物可降解性等这些与大多数应用目 的密切相关的性能，在很大程度上取决于材料内部丝素蛋白的分子构象或结晶结构。 因此，探讨丝素结构的转变规律，进而控制其结构，制备出符合各种应用目的所需性 能的丝素材料，一直是丝素蛋白材料研究领域广受关注的重要问题。 1 9 8 5 年m a g o s h i 等踟就曾详尽地研究了丝素蛋白溶液在不同浓度和温度下固化 后样品的结晶形态( 如图1 ) 。于同隐等啮1 还认为，成膜时支持基质对膜的晶态也有 一定的影响：在p p 、p e 、p e t 、p c 、p m m a 、p t f e 等基质上浇铸得到的丝素膜均 是无定形的，在尼龙6 6 上却能够得到a 晶形盼丝素膜。 p 圣苫 蒲 图1 不同成膜温度和浓度对丝素膜晶型的影响 m a g o s h i 等嘲研究了各种有机溶剂处理对丝素膜结构的影响，指出使用具有脱 水作用的溶剂处理能够导致s i l k i i 结晶结构的形成。对于使用甲醇处理，与m a s u h i r o 再生家蚕丝素蛋白结构转变的研究第一章引言 等乜订关于浓度为6 0 - 1 0 0 的甲醇会明显影响再生丝素膜的结构，从而出现大量p 折 叠结构的结果相似，t a k e t a n i 等嘲的实验也表明，甲醇的作用会使再生丝素膜的二级 结构发生从无规卷曲向b 一折叠结构转变。a s a k u r a 等啪1 和t s u k a d a 等啪1 也进行了类似 的研究并得出相似的结论。 除了醇类溶剂，其他低介电常数的有机溶剂如甲酸等亦能引起桑蚕丝蛋白的构象 转变。如p a r k 等妇分别对由桑蚕丝素蛋白水溶液制得的膜和甲酸溶液处理的膜进行红 外研究，发现由水溶液制得的样品具有很明显的无规线团吸收峰：而用甲酸溶液处理 的样品则显示p 一折叠吸收峰。同时这两种膜样品经甲醇处理后都出现与甲酸溶液制得 的样品基本相同的红外吸收峰，这表明甲酸对丝素蛋白构象的影响和甲醇相似。同 样，h u d s o n 等哑1 也证实了甲酸能够促进丝素蛋白向p 一折叠构象转变。 至于温度的影响，1 9 7 7 年m a g o s h i 等口羽就专门报道了温度对丝素蛋白膜构象转 变的影响。他们发现由丝素蛋白稀溶液在室温下制备的膜呈无规线团构象，其红外吸 收在1 6 6 0 c m 1 ( 酰胺i ) 、1 5 4 0 e m 1 ( 酰胺i i ) 、1 2 3 5 c m 1 ( 酰胺) 和6 5 0 c m 1 ( 酰胺v ) ； 当把膜样品加热到1 8 0 时，其在1 6 3 0 c m 1 ( 酰胺i ) 、1 5 3 5 c m - 1 ( 酰胺) 、1 2 6 5 c m 1 ( 酰 胺) 和7 0 0 c m 1 ( 酰胺v ) 处出现新的红外吸收峰，表明有p 一折叠结构的形成；但是即 使将温度升至2 3 0 c ，无规线团构象依然存在。接着他们将呈无规线团构象的丝素蛋 白膜浸在2 1 3 0 的水中，观察其构象的变化嗍。红外光谱的结果表明当水温低于6 0 时，膜转变为旷型；而当水温高于7 0 c 时，膜呈现a 一型和b 一型共存的状态。此外， 吴徵宇等汹3 将再生丝素膜在蒸汽中加热，实验结果显示出在1 2 0 c ( 饱和蒸汽压= 2 个大气压) 汽蒸半小时丝素会发生无定形向s i l k l i 结晶结构转变，在1 5 0 c ( 饱和蒸 汽压= 5 个大气压) 汽蒸半小时丝素会发生s 波i 向s i l k l i 结晶结构的转变。石川博和 马越淳等删之前已经做过相似的研究，他们将再生丝素膜加热到1 9 0 y ? 和2 7 0 c 以 上，发现丝素的二级结构会发生从无定形向s i l k i i 结晶结构或从s i l ki 向s n k l i 结晶 结构的转变。 l iz h o u 等嘲将丝素溶液与铜离子溶液混合后制备丝素膜，实验结果指出，随着 铜离子的加入，丝素膜的二级结构发生了从无规卷蓝向p 折叠结构的转变。陈文兴 嗍、纪涛等证明了丝素蛋白和c u 2 + 的螯合作用的存在。p m s i n e r 等h 妇用圆二色光谱 检测到c u 2 + 的加入能诱导蛋白质p 一折叠结构的形成。他们认为，由离子与氨基及羰 基形成的链间的螯合作用使原来无序运动的链有序排列，再由于氢键的相互作用而 形成b 一折叠平面。 4 再生家蚕丝素蛋白结构转变的研究 第一章引言 另外，添加一些高分子物质后丝素蛋白膜构象也会发生变化。在对桑蚕丝素蛋白 壳聚糖共混膜的结构进行研究时发现，当壳聚糖的含量为2 0 - 4 0 和9 0 时，共混膜 中桑蚕丝蛋白的红外吸收均出现1 6 3 0 c m 以( 酰胺i ) 和1 5 3 5 c m l ( 酰胺i i ) 代表p 一折叠 的谱带，这表明由于桑蚕丝素蛋白和壳聚糖之间存在较强的氢键相互作用，桑蚕丝素 蛋白在壳聚糖的诱导下发生了构象转变。蚴。同样，p a r k 等1 也发现当共混膜中壳聚 糖含量为3 0 时，丝素蛋白酰胺i 的红外吸收峰偏离表征无规线团构象( 即1 6 6 0 c m 1 酰胺i ) 的程度最大。 有文献指出溶解桑蚕丝的溶剂温度对制得的丝素蛋白膜构象的影响。他们发现 在用l i b r 溶液溶解丝纤维时，不同溶解温度下得到丝素蛋白膜的构象有所差异。在溶 解温度由5 1 2 升高到1 0 0 3 2 的过程中，代表p 一折叠的7 2 5 c m o 和6 9 8 c m 1 吸收峰有所减 弱( 峰面积由2 1 下降至5 ) ，代表s i l ki 的6 5 5 c m 1 和6 2 5 c m l 处红外吸收峰亦有所减 弱( 由4 4 下降至2 6 ) ，而代表无规线团的5 4 0 c m d 处红外吸收峰则有所增强( 由4 5 增加至6 9 。同时，随着温度的升高，丝素蛋白膜的力学性能有所下降，因此他们建议 用l i b r 溶解丝纤维时温度不宜过高。 ， 总之，对于丝素蛋白材料，外界条件的交化对其构象的变化影响很大，为了能够 对其性能进行人为控制，所以对影响丝素膜结构变化的因素以及相关问题作进一步研 究很有必要。 1 3 影响家蚕丝素凝胶结构和性能的因素 凝胶是丝素蛋白材料的另一种重要形态，除具有柔软性、可塑性之外，对于低分 子物质或者一些高分子物质还具有透过性，是制各人工皮肤、隐形眼镜、药物缓释载 体、酶固定化载体、细胞培养支架等生物及医用材料的较好选择删。国内外相关的 研究很多，如丝素凝胶的制备方法，凝胶的结构、性质及应用等。 蛋白质形成凝胶的过程主要涉及氢键、疏水性相互作用和静电相互作用，网状结 构的形成是蛋白质一蛋白质和蛋白质一溶剂相互作用以及相邻多肽链吸引力和排斥力 之间平衡的结果h 刀。再生丝素溶液作为一种天然蛋白质溶胶，在一定条件下会发生凝 胶化，这主要是由于丝素分子由无规卷曲转化为b 一折叠构象之故呻1 。丝素溶液自然 存放或调节其p h 值至等电点将导致凝胶的形成。 丝素凝胶外观色白，透明度低，轻捏呈碎粒状，用位相差显微镜可以观察到凝胶 截面呈不规整颗粒聚集形态，这些颗粒由更小的不规则圆形微粒聚集而成h 钉。 5 再生家蚕丝索蛋白结构转变的研究 第一章引言 h i r a b a y a s h i 等咖3 认为微粒凝胶的形成是因为丝素蛋白大分子内或几个丝素蛋白大分 子间形成了氢键结合。倪莉等晦1 1 用拉曼光谱对丝素凝胶的结构进行测试，结果也认为， 形成凝胶时氢键发挥了重要作用。胡国梁等嘞1 指出，当丝素溶液发生凝胶化作用时， 除了氨基酸残基间形成氢键等结合力外，以g 1 y 、a l a 、s e r 、t r y 等氨基酸残基为主， 形成了分子整列度高、更为有序的微结晶，这种结构使丝素凝胶处于更稳定的状态。 m a t s u m o t o ，a k i r a 等璐盯通过观测5 5 0 m 处吸光度的变化研究凝胶化作用过程。在丝 素溶液即将形成凝胶时，其溶液趋向于不透明的白色，这是由于丝素凝胶非均质的微 观结构在可见光范围内引起了光的散射。凝胶化的早期阶段首先出现小的沉淀物( 小 于l o l 上m ) ，随后这些沉淀物的尺寸不断增加，从而导致吸光度的增加。在随后的凝 胶化阶段，大量的聚集物( 1 0 - l o o l , u - n ) 变得不动或者变成部分凝胶状态。当最终完 全凝胶化时，光密度就稳定于某一数值。研究还发现，最初的溶胶状态中，溶液中大 约有2 0 的p 折叠结构。这个值保持不变，直到凝胶化的程度达到了1 5 2 0 ，然后增 加。一旦凝胶完全形成，p 一折叠结构就不再有明显的变化。这种p 一折叠滞后的增加表 明，丝素凝胶化的最初阶段并不伴随b 折叠结构的增加。在早期，可能先是分子内或 分子间的疏水性相互作用导致物理交联的产生，随后形成p 一折叠片层结构。当然，在 这阶段，可能一些氢键和静电的相互作用也是导致凝胶化的原因，但是可能比疏水性 相互作用对凝胶化的贡献小。 丝素凝胶的形成涉及疏水性相互作用和p 一折叠的形成，并通过聚集作用形成了网 状结构；氢键和静电相互作用对此网状结构起了稳定作用啼。影响再生丝素凝胶化时 间及凝胶结构、性能的因素很多，主要因素如下： ( 1 ) 丝素蛋白溶液浓度 丝素溶液在低浓度( 如o 5 ) 下静置处理就能形成凝胶嘲1 。从分子结构上看，丝 素的凝胶化主要是由于大分子的p 化所致，溶液浓度的提高有利于大分子的p 化进程， 从而有利于促进凝胶化嘲。从另一个角度来看，提高丝素溶液的浓度，使得丝素分子 链间的交互作用有所增加，凝胶化的时间自然缩短，但在浓度小于1 w t 的条件下，浓 度对凝胶时间的影响不明显嘲。 凝胶的压缩强度以及模量与溶液的初始浓度有很大的关系。有研究嘲3 表明，随着 丝素溶液初始浓度的增大，形成的凝胶的压缩强度以及模量也升高。力学性能的改善 主要归功于浓度增加引起凝胶孔尺寸的减小。另外，在- 8 0 。c 条件下冷冻干燥后的凝 胶其形态结构与浓度有很大关系，浓度为4 - 1 2 w t 9 6 的丝素溶液经冷冻干燥后凝胶截面 再生家蚕丝素蛋白结构转变的研究第一章引言 微观形态呈树叶状；浓度为1 6 2 0 w t 的溶液分别呈网状和海绵状结构。孔尺寸随丝 素溶液浓度的增大而减小。也有研究回1 采用动态试验方法测定丝素经高速剪切 ( 1 0 0 0 0 r m i n ，搅拌3 m i n ) 后的凝胶粘弹性，结果表明，当丝素溶液浓度增大时，丝 素的储能模量增加，这意味着弹性提高。 ( 2 ) 温度 温度对凝胶的形成、结构和性能有很大的影响。随着环境温度的升高，丝素形成 凝胶所需的时间随之减少；在相同的丝素浓度下，在较高温度条件下制备的凝胶孔尺 寸较小，表现出较高的压缩强度和模量嘲1 。 在比较高的温度下快速形成的凝胶可以用疏水水合作用动力学来解释呻1 。对于许 多像多肽一样的聚合物，在低温下能溶解在水中，但是沉淀随着温度升高会有增加。 在能溶解的状态下，聚合物中疏水性的部分会被似冰( 有序的) 水( 疏水水合作用的 水) 包围侧。不断升高的温度导致相分离( 或蛋白折叠) ，这个过程一般是可逆的； 紧接着冷冻沉淀物能使其再溶解在水中。然而，丝素蛋白会形成不可逆的d 一折叠， m a t s u m o t o ，a k i r a 等踟认为不可逆性是由于这种二级结构具有热力学稳定性。 温度不同，形成凝胶的外观形态也不同。对在不同温度下制备的添加水溶性环氧 化合物交联剂p g d e ( p o l y e t h y l e n eg l y c o ld i g l y c i d y le t h e r ) 后形成的凝胶的研究踟 表明，丝素蛋白与p g d e 在6 0 下反应而成的柔韧性丝素凝胶c f g ，呈半透明，压缩强 度可达0 9 8 n r a m 2 ，手摁难将其压碎，在0 9 8n r a m 2 的压缩强度下压缩变形可达 7 9 。丝素蛋白与p g d e 在- 2 0 c 下反应而成的柔韧性多孔丝素凝胶p f g ，呈半透明，表 面有皮层，内为孔径5 01 5 0 p r o 的微孔，拉伸强度可达0 1 i n m m 2 ，在0 1 l n m m 2 拉 力下伸度可达7 9 左右，有很好的柔软性。这可能是由于在较高温度下，环氧化合物能 与丝素蛋白发生交联反应，丝素蛋白酪氨酸酚羟基上的羟基、组氨酸咪唑基上的氨基 和赖氨酸上的氨基能作为其交联位点，由环氧化合物在丝素大分子之间架桥连接而形 成三维网络结构，从而形成了柔韧性凝胶。在冰点以下，环氧化合物并没有与丝素蛋白 发生交联反应。 ( 3 ) p h 值及离子 对于纯的丝素溶液，当p h 值在等电点附近时能加速其从溶胶向凝胶的转化。另外， 从凝胶的x 一射线衍射测试结果来看，p h 值在酸性侧时，结晶化程度较高嘲。对家蚕 丝素与m 9 2 + 、魁3 + 、c r 、f e 3 + 、c 0 2 + 、n i 2 + 、c 矿或z n 2 + 等离子在2 5 c 的水溶液中进 行络合反应形成的凝胶进行观察发现，凝胶的形成很大程度上取决于金属离子的种类 7 再生家蚕丝素蛋白结构转变的研究第一章引言 和溶液的p h 值。在金属离子存在的情况下，凝胶形成的起始p h 值从小到大为m 1 ： f e k c u 2 + z n z * 煮沸条件下空气诱导形成空气一丝素溶液界面膜的过程 中，同样，空气能诱导丝素分子构象从无规卷曲和部分a 结构向p 一折叠结构转变， 并且最终形成的界面膜中主要存在s i l k i i 结晶结构，结晶度比延流法热风干燥形成 的膜明显提高。 ( 3 ) 没有观察到s i l k i i i 型的结晶结构，可能s i l k i i i 晶型需在相当精细的实验条 件下才能观察到，也可能它相对较不稳定，在我们的实验条件下已经发生改变。 再生家蚕丝素蛋白结构转变的研究第三章多元醇对丝素凝胶化速度及凝胶结构的影响 第三章多元醇对丝素凝胶化速度及凝胶结构的影响 3 1 材料与方法 3 1 1 实验材料 无水碳酸钠、氯化钙、无水乙醇，聚乙二醇( 分子量为4 0 0 ) 、聚乙二醇( 分子 量为6 0 0 ) 、乙二醇、丙三醇，均为分析醇；家蚕生丝( 购自浙江省) 、去离子水 3 1 2 实验器械 l c 2 1 0 2 型电子天平、b s l 2 4 s 型电子天平( m a x l 2 0 9 ，d = 0 0 0 0 1 ) 、电磁炉、 玻璃棒、d f - 1 0 1 s 型集热式恒温磁力搅拌器、透析袋、锥形瓶、脱脂棉纱、大小烧杯、 滴管、表面皿、d h g - - 9 2 4 6 a 型电热恒温鼓风干燥箱( 上海精密实验设备有限公司) 、 磁力搅拌转子、低温冰箱、v i r t i sg e n e s i s2 5 l e 型冷冻干燥机、全自动x p e r t p r om p dx - 射线衍射仪( 荷兰帕纳科公司( p a n a i y f i c a lc o m p a n y ) ) 、n i c o l e t5 7 0 0 型 傅立叶变换红外光谱仪( 美国n i c o l e t 公司) 、l a b r a m - l b 型显微拉曼光谱仪( 法国 d i l o r 公司) 、h i t a c h i s - 5 7 0 型扫描电子显微镜( 日本日立公司) 3 1 3 实验方法 3 1 3 1 家蚕生丝脱胶 同第二章方法2 1 3 1 3 1 3 2 家蚕丝素纤维溶解 同第二章方法2 1 3 2 3 1 3 3 家蚕丝素混合溶液透析 同第二章方法2 1 3 3 3 1 3 4 再生家蚕丝素溶液浓度的测定 敞日器皿洗净编号放入烘箱中1 0 5 c 烘至恒重，取出迅速称得皿净重a ( 眈在皿 内倒入5 m l 的再生家蚕丝素蛋白溶液，放入烘箱烘5 小时后取出称重，以后每隔1 5 分钟称重一次，至恒重时记下数据b ( d ，根据式( 2 ) 计算得到再生家蚕丝素溶液的 质量分数。重复三次求得体积质量浓度平均值约为0 0 2 9 9 m 1 。 体积质量浓度：_ b - ag m 1 ( 2 ) 再生家蚕丝素蛋白结构转交的研究第三章多元醇对丝素凝胶化速度及凝胶结构的影响 3 1 3 5 再生丝素溶液直接冷冻干燥样品的制备 把相同浓度的再生家蚕丝素溶液倒入表面皿( 未形成凝胶) ，随即于- 4 0 c 用 v i r t i sg e n e s i s2 5 l e 型冷冻干燥机减压干燥，干燥后的样品于4 下保存。 3 1 3 6 自然条件下形成的再生家蚕丝素凝胶的制备与处理 向直径为8 3 c m 的表面皿中缓缓倒入2 5 m l 的再生家蚕丝素溶液，于2 0 左右室 温下静置3 天多( 8 4 h ) 形成凝胶。随即于- 4 0 c 预冻后用v i r t i sg e n e s i s2 5 l e 型冷冻干燥机减压干燥，得到测试所需的冷冻干燥凝胶材料子4 条件下保存。 3 1 3 7 添加多元醇的再生家蚕丝素凝胶的制备与处理 向表面皿中倒入2 5 m l 的再生家蚕丝素溶液，根据质量分数为3 的再生家蚕丝素 蛋白溶液的体积质量为0 0 2 9 9 m l ，计算出应向2 5 m l 丝素溶液中添加不同比例的量。 添加量为丝素溶液中丝素质量的1 0 0 = 0 0 2 9 2 5 1 0 0 = 0 7 2 5 9 添加量为丝素溶液中丝素质量的3 0 0 = 0 0 2 9 2 5x3 0 0 = 2 1 7 5 9 添加量为丝素溶液中丝素质量的5 0 0 = 0 0 2 9x2 5x5 0 0 = 3 6 2 5 9 添加量为丝素溶液中丝素质量的7 0 0 = 0 0 2 9 2 5x7 0 0 = 5 0 7 5 9 添加量为丝素溶液中丝素质量的9 0 0 = 0 0 2 9x2 5x9 0 0 = 6 5 2 5 9 按计算所得的数据分别取乙二醇、丙三醇、聚乙二醇4 0 0 、聚乙二醇6 0 0 若干克， 再将其缓慢地用玻璃棒引流到2 5 m l 再生家蚕丝素蛋白溶液中，一边添加一边搅拌。 得到的混合溶液于室温下静置形成凝胶，记录各个样品凝胶化的时间。把形成的丝素 凝胶于一4 0 预冻后用v i r t i sg e n e s i s2 5 l e 型冷冻干燥机减压干燥，得到测试所 需的材料。 3 1 3 8 样品结构的测试 x - 射线衍射 同第二章方法2 1 3 8 红外吸收光谱 同第二章方法2 1 3 8 激光拉曼光谱 同第二章方法2 1 3 8 扫描电镜 用h i t a c h i s 5 7 0 型扫描电子显微镜( 日本日立公司) 对样品截面进行观测。 再生家蚕丝素蛋白结构转变的研究第三章多元醇对丝索凝胶化速度及凝胶结构的影响 3 2 结果与讨论 3 2 1 再生家蚕丝素溶液凝胶化过程中的结构变化 3 2 。1 1x - 射线衍射 ，。、 力 c l o ) - 、 皇 ， c o c