（材料科学与工程专业论文）丝素蛋白溶液的仿生纺丝研究.pdf

东年土学博十论文 摘要 摘要 本文简要介绍了仿牛纺蜘蛛丝技术的研究现状，总结了人工纺丝的技术路线和 所得纤维的基本性能。同时，我们从以f - 个角度进行了思考，即：转基因蜘蛛丝 蛋白水溶液或再生蚕丝素蛋白水溶液中丝素蛋白分予的构象结构与蜘蛛或蚕腺体内 是否相同? 是否需要“仿牛制备纺丝液”? 为了对以上问题进行解答，本文以家蚕 的丝素蛋白质为模型对模仿生物体成丝过程的仿乍纺丝技术进行了一些探索性的研 究。我们制各了高浓度的再牛蚕丝素蛋白水溶液，并首次研究了它的流变性能及剪 切作用下的构象变化，同时还对它的存放稳定性进行了研究。为了弄清楚挣伸对再 生丝素蛋白水溶液结构变化的影响，我们运用静电纺丝方法对再生丝素蛋白水溶液 进行了纺丝试验，以寻找丝素蛋白转化为纤维的条件。结果发现静电纺所得纤维的 结构是介于无定型和蚕丝之间的，尽管静电纺丝有非常高的拉伸倍数，但所得纤维 还是达不到如蚕丝般的结构。为此，我们对再牛丝素蛋白水溶液与蚕腺体内丝素蛋 白水溶液进行了对比分析，发现浓再生丝素蛋白水溶液与蚕腺体内丝素蛋白水溶液 的性能是有差别的，从而提出了“仿牛纺丝”之前，首先要“仿牛制备纺丝液”的 新观点。 本文摸索出了制备高浓度再生丝素蛋白水溶液的方法，并研究了浓再生丝索蛋 白水溶液的流变性能和在剪切作用下的构象结构变化，结果发现：( 1 ) 再生丝素蛋 白水溶液酌流变性能和常规聚合物浓溶液的流交眭能差别很大。首先，它的切力变 稀现象随溶液的浓度的增加而变弱：其次，溶液粘度非常小。( 2 ) 再生丝素蛋白浓 水溶液的零切粘度随浓度的增加而增加，在3 5 左右达到最大值，浓度再提高粘 度下降。但在粘度下降条件下仍然观察不到各向异性现象。( 3 ) 高浓度的再牛丝素 蛋白水溶液经过剪切作用后呈现出各向异性的性质，相同浓度下，剪切作用越大， 再生丝素蛋白水溶液越容易实现由各向同性到各向异性的转变；相同剪切作用时， 再生丝素蛋白水溶液的浓度越高，经剪切作用后，溶液的各向异性的性质越明显。 ( 4 ) 再牛丝索蛋白水溶液经剪切作用后，丝素蛋白分予构象发生了由无规线团q 螺旋结构到b 一折叠结构的转变。再牛丝素蛋白水溶液的流变性能和常规聚合物 浓溶液的流变性能差别很大。 东毕土学博士论文 摘要 经过对高浓度再牛丝素蛋白水溶液流动稳定性的研究发现，丝素蛋白水溶液是 一种不稳定的体系，存在存放流动稳定性问题。随着溶液浓度和存放温度的升高， 溶液的流动稳定性迅速下降，最终使体系发牛凝胶化。其中当溶液浓度小于2 7 时，浓度对流动稳定性的影响较大，浓度越低流动稳定性越好。而当浓度高于2 7 后，溶液的流动稳定性迅速下降，浓度的影响也大大降低。丝素蛋白水溶液对环 境温度非常敏感，当温度低于2 5 时，溶液的凝胶化速度较慢；而当温度升高 后，溶液的凝胶化速度迅速加快，在6 0 。c 时只需半小时就凝胶化。蚕吐丝时，其 中部丝腺内丝素蛋白水溶液的浓度在3 0 左右，温度为2 5 c 左右的春天和秋天， 这一吐丝条件也是充分利用了丝素蛋白的流动稳定性。在制备丝素蛋白纺丝水溶液 时，应先把最初的转基因或再生丝素蛋白稀水溶液存放在低温下，然后在纺丝前进 行浓缩，这样就可以得到稳定的丝素蛋白纺丝用水溶液。 为了弄清楚拉伸对再生丝素蛋白水溶液结构变化的影响，我们运用静电纺丝方 法，对再牟丝素蛋白水溶液进行了纺丝试验，发现可以从丝素蛋白水溶液中制得念 珠状的、圆形的或带状的超细丝纤维，纤维的真径在1 0 0n m 到9 0 0 n m 之间，平均 为7 0 0 n m 。当纺丝液浓度为2 8 、电压为2 k v 、喷射距离为1 lc m 时，可制得具 有光、滑表面的圆形丝纤维。拉曼光谱检测的结果发现，所得的静电纺丝纤维中已含 有b 折叠结构。d s c 和x 光衍射结果表明静电纺丝纤维不是无定型结构，但也不 是和天然蚕丝一样的p 一折叠结构。通过计算发现，静电纺丝时纤维经历了非常高 的拉伸比，并和蚕吐丝的条件相当，但即使这样也无法得到与蚕丝相同的结构：而 静电纺丝纤维大的比表面积和蚕以慢的吐丝速度都是起到使溶液中的水分挥发的作 用。试验表明，只有当溶液的浓度足够高，使丝索蛋白分子之间形成有效的缠结： 并对丝素蛋白水溶液加以足够高的抟伸力，使丝素蛋白分子拉伸取向；同时保证溶 液中的水分快速有效地挥发，才有可能形成丝纤维。但要使该纤维结构与蚕丝相同 尚需其他条件配合。 通过对再生蚕丝索蛋白水溶液与天然蚕腺体内丝素蛋白水溶液盼性能对比分析 发现，再生蚕丝素蛋白水溶液和天然蚕腺体内丝素蛋白水溶液的性能差别非常大。 再生蚕丝蛋白分予量与蚕腺体内丝素蛋白分了量相差不大，但蚕腺体内丝素蛋白水 溶液的零切粘度要比再乍丝素蛋白水溶液高得多，尽管它们的浓度相当- 这说明蚕 玎 东斗太学博十论文摘要 腺体内丝素蛋白水溶液是有结构的，而这种结构是逐步形成的( 即熟成) 。即丝素 蛋白水溶液在蚕腺体内存在一个逐步熟成的过程，从后部丝腺体内壁上的腺细胞分 泌出的丝素蛋白分子进入后部丝腺体后，流动进入中部丝腺体内。通过不断调节溶 液的性质，如所受剪切应力、溶液浓度、金属离了的含量和种类、p h 值等参数， 丝素蛋白分子的构象不断发牛变化，丝素蛋白分子间逐渐形成了一定的结构，并逐 步沿流动方向取向而呈有序态，最终成为粘度非常大的各向异性的凝胶状。而再生 丝素蛋白水溶液是粘度非常低的各向同性溶液。丝素蛋白水溶液在蚕腺体内的熟成 过程是它能够吐出性能优良的蚕丝的关键步骤。这些差异表明，要想制备出高性能 的丝纤维，在“仿生纺丝”之前，首先要“仿牛制备纺丝液”。 关键词：仿牛纺丝，丝素蛋白，流变性能，腺体，稳定性，静电纺丝 j 1 年土簟博士论文 a b s t r a c r r a s t u d y o nb i o m i m e t i c s p i n n i n g o fs i l k w o r m i nt h i st h e s i s ，t h ed e v e l o p m e n to fb i o m i m e t i cs p i d e ra n ds i l k w o r ms i l kh a sb e e nb r i e f l y i n t r o d u c e d t h ep r o c e s s e sa n dp r o p e r t i e so fr e s u l t a n tm a n m a d es i l kf i b e rh a v ea l s ob e e n s u m m a r i z e d i ti sf o u n dt w ok e yi s s u e sa r en o td i s c u s s e dy e t w h e t h e rt h ec o n f o r m a t i o n o fs i l kf i b r o i ni n r e g e n e r a t e d s o l u t i o no ri nt h es i l k w o r mg l a n di st h es a m eo rn o t ? w h e t h e ri ti s n e c e s s a r yt op r e p a r et h es p i n n i n gs o l u t i o nb yab i o m i m e t i cp r o c e s s ? i no u r w o r k ，s i l kf i b r o i no fs i l k w o r mi s s e l e c t e da sam o d e ls y s t e mb e c a u s et h e r ei ss t i l ln o t e n o u g hs p i d e rs i l kp r o t e i nt h a tc a nb es u p p l i e dt od os p i n n i n ga n do nt h eo t h e rs i d e ，t h e c o m p o s i t i o no f s i l k w o r mf i b r o i ni sv e r ys i m i l a rt os p i d e rp r o t e i n i no r d e rt oa n s w e rt h e a b o v eq u e s t i o n s ，t h ec o n c e n t r a t e dr e g e n e r a t e ds i l kf i b r o i na q u e o u ss o l u t i o nw a s p r e p a r e d f i r s t ，i t ss t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fr h e o l o g ya n df l o ws t a b i l i t yw e r es t u d i e d a f f e rt h a t ， t h ee l e c t r o s p i n p r o c e s sw a sa p p l i e d o n r e g e n e r a t e dc o n c e n t r a t e d s i l kf i b r o i na q u e o u s s o l u t i o ni no r d e rt of i n do u tt h ec o n d i t i o n st of o r ms i l kf i b e rf r o ms i l kf i b r o i na q u e o u s s o l u t i o n 1 ti sf o u n dak i n do fs i l kf i b e rc a nb eg o t b u tt h es t r u c t u r eo ft h i sk i n ds i l kf i b e r i sb e t w e e na m o r p h o u sf i l ma n dn a t u r es i l k t h ed i f i e r e n c eb e t w e e nt h es t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so f s i l kf i b r o i ni nr e g e n e r a t e da q u e o u ss o l u t i o na n di nv i v ow a sf u r t h e rs t u d i e d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s v i s c o u s ，t r a n s p a r e n t ，h o m o g e n e o u sa n ds p i n n a b l es i l k f i b r o i na q u e o u ss o l u t i o n sw i t h h i g hs i l kf i b r o i nc o n t e n tw e r ef i r s tp r e p a r e d t h er h e o l o g i c a lb e h a v i o r so f s o l u t i o n sw i t h d i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o nw e r es t u d i e db yh a a k er s l5 0r h e o m e t e r t h e r ei sa r a p i di n i t i a l s h e a rt h i n n i n ga tl o ws h e a rr a t e s ( 1 0s - i ) f o rr e g e n e r a t e ds i l kf i b r o i na q u e o u ss o l u t i o n s w i t hl o wc o n c e n t r a t i o n h o w e v e r , t h es h e a r t h i n n i n gp h e n o m e n o nb e c o m e sn o to b v i o u s w i t ht h ei n c r e a s eo ft h es o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n ，w h i c hi sd i f f e r e n tf r o mo r d i n a r yp o l y m e r s o l u t i o n w i t ht h ei n c r e a s eo fc o n c e n t r a t i o n t h em a c r o m o l e c u l ec h a i nb e c o m em o r ea n d m o r ec o m p a c t e d ，t h ee n t a n g l e m e n t si ns o l u t i o ni n c r e a s en o tv e r yq u i c k l y a sar e s u l t ，t h e v i s c o s i t yo fs o l u t i o ni sn o tv e r yh i g h t h ez e r os h e a rv i s c o s i t yi si n c r e a s i n gw i t ht h ec o n c e n t r a t i o no fr e g e n e r a t e ds i l kf i b r o i n a q u e o u ss o l u t i o n a n dr e a c h e sm a xi n3 5 ，t h e nd e c r e a s e s b u ta l l t h e s es o l u t i o n sa r e i s o t r o p i c o n l y w i t hs h e a rt h es o l u t i o nb e c o m e sa n i s o t r o p i c w i t h t h ei n c r e a s eo f ! ! 查! 竖主丝墨 垒! 坚坠竺! c o n c e n t r a t i o n ，t h eb i r e f r i n g e n to ra n i s o t r o p i cp h e n o m e n o nb e c o m e se a s i e ru n d e rt h es a m e s h e a rr a t e s i m i l a r l y , w i t ht h es a m ec o n c e n t r a t i o n ，t h ea n i s o t r o p i cp h e n o m e n o nb e c o m e s m o r ea n dm o r eo b v i o u sw i t ht h ei n c r e a s eo fs h e a rr a t e r a m a ns p e c t r o s c o p y a n a l y s i s s h o w e dt h a tt h es t r u c t u r eo fs i l kf i b r o i nh a s c h a n g e df r o mr a n d o mc o l 】a n d o ra h e l i xi r i t e 1 3 - s h e e tb ys h e a r t h es t u d yo nt h ef l o ws t a b i l i t yo fr e g e n e r a t e ds i l kf i b r o i n a q u e o u ss o l u t i o n sw i t h d i f i e r e n tc o n c e n t r a t i o n su n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e si n d i c a t e st h a tt h ef l o w s t a b i l i t y d e c r e a s e sq u i c k l yw i t ht h ei n c r e a s eo fs o l u t i o nc o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t u r e x r a y d i f f r a c t i o n ，f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e d ( f t i r ) a n dr a m a ns p e c t r o s c o p ya n a l y s i ss h o wt h a t s i l kf i b r o i ni n r e g e n e r a t e da q u e o u ss o l u t i o n i s m a i n l y i nr a n d o mc o i lc o n f o r m a t i o n h o w e v e r , i tt u r n si n t o h e l i xa n db s h e e tc o n f o r m a t i o na f t e rg e l a t i o n ，a n db o t hs i l k1a n d s i l k1 1s t r u c t u r ea p p e a r sa c c o r d i n g l y ，t h ek e yc o n c e n t r a t i o na n dk e yt e m p e r a t u r ef o rt h e f l o ws t a b i l i t yo fr e g e n e r a t e ds i l kf i b r o i na q u e o u ss o l u t i o na r ea b o u t2 7 w t a n d2 5 * ( 2 ， r e s p e c t i v e l y s i l k w o r m s i nt h en a t u r e m a yp o s s i b l ym a k e f u l lu s eo ft h i sr u l e t h e i n v e s t i g a t i o ni m p l i e s t h a tt h e o r i g i n a l d i l u t e r e g e n e r a t e d o rr e c o m b i n a n ts i l kf i b r o i n a q u e o u ss o l u t i o ns h o u l db es t o r e du n d e rl o wt e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t e dj u s t b e f o r e s p i n n i n g b yu s i n ge l e c t r o s p i n n i n gt e c h n i q u e ，b e a d e d ，c y l i n d e rs h a p e do rr i b b o nl i k eu l t r a f i n e s i l kf i b r o i nf i b e r sa r eo b t a i n e df r o m r e g e n e r a t e dc o n c e n t r a t e d s i l kf i b r o i n a q u e o u s s o l u t i o nu n d e rd i f f e r e n tp r o c e s s i n gc o n d i t i o n s ，t h e s ef i b e r sh a v ea ! qa v e r a g ed i a m e t e ro f 7 0 0n m i ti sf o u n dt h a tt h em o r p h o l o g ya n dt h es e c o n d a r ys t r u c t u r eo ft h ea s - s p u ns i l k f i b r o i nf i b e r sa r e s t r o n g l y i n f l u e n c e d b yt h e s o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n ，a sw e l l a st h e p r o c e s s i n gv o l t a g e t h ee x c e s s i v ed r a w i n gr a t i oo f s i l kf i b e rd u r i n ge l e c t r o s p i n n i n ga n d t h el a r g es p e c i f i ca r e ao fs i l kf i b e ra r ea l li nf a v o ro ff i b e rf o r m a t i o na n dw a t e rv a p o r i z i n g f r o mt h ef i b e rs u r f a c er a m a ns p e c t r o s c o p ys h o w st h a ts o m ef i b e r s a r ei nb s h e e t c o n f o r m a t i o n ，w i d e a n g l ex - r a yd i f f r a c t i o n ( w a x d ) a n dd s ca n a l y s i s s h o wt h a tt h e s t r u c t u r eo ft h i sk i n ds i l kf i b e ri sb e t w e e na m o r p h o u s f i l ma n dn a t u r es i l k t h ei n v e s t i g a t i o no nt h es i l kf i b r o i ni nt h er e g e n e r a t e da q u e o u ss o l u t i o no ri nr i v e s h o w st h a tt h e r ei sab i gd i f f e r e n c eb e t w e e nt h e m t h e r ei s am a t u r ep r o c e s sw i t hs i l k f i b r o i nd e s c e n d i n gd o w n t h eg l a n da n dt h ec o n f o r m a t i o no fs i l kf i b r o i nc h a n g e sg r a d u a l l y v 1 年土孽障十论文 a b s t r a c t u n d e rt h ee f f e c to f s h e a r i n g ，s o l u t i o nc o n c e n t r a t i n g ，m e t a l l i ci o na d d i n ga n dp h a d j u s t i n g ， a n df i n a l l yah i g hv i s c o u sg e lw i t hs o m eo r i e n t e ds t r u c t u r ei sf o r m e d o nt h eo t h e rh a n d ， t h e r e g e n e r a t e ds i l kf i b r o i na q u e o u s s o l u t i o ni sh o m o g e n e o u sa n di t sv i s c o s i t yi sv e r yl o w t h i sm e a l st h a tab i o m i m e t i cp r o c e s sf o rm a k i n gs p i n n i n gs o l u t i o ns h o u l db ea d o p t e d b e f o r eb i o m i m e t i cs p i n n i n g i ti st h eo r i e n t e dg e lt h a tm a k es i l k w o r ms p i ns i l ke a s i l yw i t h t h el o w e s te n e r g y t h a ti st os a y , t h em a t u r ep r o c e s si st h ek e yf a c t o rt h a ts i l k w o r mc a n s p i nh i g hp r o p e r t i e ss i l k i no r d e r t og e tah i g hp e r f o r m a n c ea r t i f i c i a ls i l k ，i ti sn e c e s s a r y t om a k er e g e n e r a t e ds i l kf i h r o i na q u e o u ss o l u t i o nh a v et h es a m ep r o p e r t i e sa n ds t r u c t u r e o fs o l u t i o ni nv i v o k e y w o r d s ：b i o m i m e t i c s p i n n i n g ，s i l k f i b r o i n ，r h e o l o g i c a l b e h a v i o r ，s t a b i l i t y , e l e c t r o s p i n n i n g 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的 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。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本 人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名： ；踉 日期：o ，年弓月o e t 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密卣。 学位论文作者签名： 多苏指导教师签名：翻托 日期：p 。，年j 月，。日日期：矿y 年多月厂驴日 窭芏立壁巨鲨塞 釜= 童塞趑绽蕉 第一章文献综述 蜘蛛和蚕在常温常压下、以水为溶剂，用液晶纺丝方法制得高性能的丝纤维 “2 ，3 川，6 17 踟。蜘蛛丝强度高、弹性好，是迄今为止人类所知道的最强韧的材料 之一，被誉为“生物钢”。9 ，1 0 ，“，”1 。因此，近年来人们热衷于蜘蛛丝和蚕丝蛋 白的仿生纺丝研究。英国的v i n e y 、v o l l r a t h “3 1 4 , 1 5 3 和k n i g h t l l 6 ，17 1 等人，日本 的i i z u k e 、m a g o s h i r l s , 1 9 , 2 0 , 2 1 3 和我国的于同隐、邵正中，2 3 ，2 4 3 等人都对其液晶纺 丝机理提出了自己的看法，其中由v i n e y 等人提出的“球状丝素蛋白分子通过自 组装形成结构各向异性聚集体而产生液晶现象”的机理较为人们所接受。5 ，2 6 ，2 刀。 在模仿蜘蛛成丝的整个“仿生”技术中有两个关键问题：1 ) “合成”与蜘蛛 丝一样化学组成的蛋白质，即基因工程转基因技术噎8 ，2 们，将蜘蛛的相关基因转 移到细菌、植物体、哺乳动物的乳腺上皮或肾细胞中进行表达，生成蜘蛛丝蛋白 质，并提纯该蛋白质，即所谓“仿生合成”。2 ) 在得到了蜘蛛丝蛋白质后，模仿 蜘蛛吐丝过程进行纺丝，即“仿生加工”，把蜘蛛丝蛋白质转变成高性能的纤维 【3 0 ，3 ”。最近有人发现【3 2 1 ，蚕的吐丝条件对纤维性能有很大影响，控制好吐丝条 件，蚕丝性能就和蜘蛛丝相近。他们认为，对于由丝蛋白一类的结构性蛋白质所 形成的动物丝，其性能将主要取决于成丝( 纤) 过程及蛋白质的高级结构。这些研 究表明，“加工过程”也是十分重要的一环。这与当前研究的主流，即研究蜘蛛 丝基因转移有很大差别，后者是建立在蛋白质化学结构决定最终性能的理论基础 之上的，而前者则认为除了化学结构外，大分子的高级结构也是重要的决定性因 素。由于蜘蛛是无法人工饲养的，而我们也很难改变蚕的吐丝方式，因此实现再 生蚕丝素蛋白水溶液纺丝、或是转蜘蛛基因蛋白水溶液的人工纺丝是我们一定要 面临的课题。本论文以再生蚕丝素蛋白质为模型开展“仿生加工”方面的研究。 人们在蜘蛛丝和蚕丝的仿生纺丝方面已经开展了许多的工作【3 3 3 4 , 3 5 , 3 6 】，对 于蚕和蜘蛛腺体中丝素蛋白分子的构象转变、聚集态变化和纤维成形机理进行了 初步的研究，并采用常规的溶液纺丝方法对转基因蜘蛛丝蛋白水溶液和再生蚕丝 蛋白水溶液的纺丝性能进行了研耕3 7 ，媳3 叭，但所得纤维的性能与蜘蛛丝和蚕丝 的性能差别很大。这使得我们不得不去思考，转基因蜘蛛丝蛋白水溶液或再生蚕 丝素蛋白水溶液中丝素蛋白分子的构象结构与蜘蛛或蚕腺体内是否相同呢? 是 盎登叁鲎堕论塞 筮二童皇墼基述 否需要“仿生制备纺丝液”呢? 如果构象结构相同，我们可以采用与蜘蛛和蚕相 似的纺丝条件进行仿生纺丝；如果不同，我们是否应该采用不同的纺丝工艺对再 生丝素蛋白水溶液或转基因蜘蛛蛋白水溶液进行纺丝研究、或者是先对再生丝素 蛋白水溶液进行加工再来进行纺丝? 因此，研究的内容可进一步分为以下二个方 面：( 一) “仿生制备纺丝液”，然后再“仿生加工”；( 二) 采用某种纺丝方法对 再生蚕丝素蛋白水溶液的纺丝性能进行研究，找出该纺丝方法下再生蚕丝纤维的 成形规律，并进一步与常规溶液纺丝方法和蜘蛛与蚕腺体内的纺丝条件进行对 比，也许可以为从转基因蜘蛛丝蛋白水溶液中纺制出高性能的丝纤维提供指导。 本论文对再生丝素蛋白水溶液与蚕腺体内的纺丝液作了对比研究、对再生丝素蛋 白水溶液的性能也作了研究、并采用静电纺丝方法研究了再生丝素蛋白水溶液的 纺丝成形性能。 为了进行仿生纺丝，必须对生物体有所了解，现对蜘蛛和蚕的纺丝过程、丝 腺结构、丝素分子的构象转变、聚集态和液晶现象等方面的文献报道做一简单综 述。由于本文涉及了静电纺丝，故对静电纺丝也作一些介绍。 1 1 蚕丝结构及化学组成 蚕丝呈扁平椭圆形，直径约为3 0 微米，由厚厚的丝胶裹着两条三角型的、 平均直径大约为1 0 微米的纤维组成。从一个茧可得到1 0 0 0 一1 6 0 0 米的连续( 取 决于蚕的种类) 的丝纤维【4 0 1 。 有一种称b o m b y xm o r i 蚕丝主要由两种蛋白质组成：丝素蛋白和丝胶。其 中约占总重量2 5 的丝胶主要作为一种粘结剂，把强度很高的半结晶的丝素蛋 白纤维粘在一起形成蚕茧丝。丝胶不具有力学强度，可以通过脱胶过程与丝素蛋 白分离，因此使蚕丝具有如此优良力学性能的只有占总量7 0 的丝素蛋白。另 外蚕丝还含有5 的杂质。丝素蛋白中除了含有c 、o 、h 、n 元素外，还 含有k 、c a 、s i 、s r 、p 、f e 和c u 等多种元素( 如表1 1 所示) 1 4 2 】。 1 1 1 丝素蛋白的氨基酸序列 丝素蛋白由三个亚单位组成 4 3 】：( 1 ) 重链( h 链) 蛋白亚单元，由5 , 2 3 6 个 氨基酸残基组成，平均分量为3 9 1 k d a ：( 2 ) 轻链( l 链) 蛋白亚单位，由 2 盔生占鲎谴逾塞 笠二童塞越筮壅 表1 1b o m b y x m o r i 蚕丝的化学组成览表h 2 t a b l e 】，1e l e m e n tc o n t e n t so f b o m b y xm o r is i l k l 4 2 】 2 6 6 个氨基酸残基组成，平均分子量为2 8 k d a ，与h 链以一个二硫共价键相结合； ( 3 ) p 2 5 蛋白，分子量为2 5 k d a ，与l 链大小相近，但氨基酸组成则完全不同。 它作为丝素蛋白的微量成分存在，通过疏水相互作用与重链和轻链相连。重链中， 9 4 的序列为重复度较高的“结晶区域”( c r y s t a l l i n e ”d o m a i n ) ，而剩余部分由 总序列的“头部”( h e a d e r ) 、1 1 个“结晶区”之问的序列相近的连接链( l i n k e r ) 和尾部c 端肽链组成。“结晶区”的氨基酸序列主要为“g l y x ”( x 中6 5 为 a l a ，2 3 为s e r ，t y r 占了剩余的9 ) ，其余部分为重复度较低的序列。在结晶 区域中，高度重复的六肽氨基酸重复单元( g l y a l a - g l y - a l a - g l y s e r ) 形成反平行的 b 一折叠结构，是晶区的主要组成；而非晶区则主要f h ( g l y a l a - g l y a l a - g l y - y ) 组成，y 主要指t y r 等其它氨基酸。轻链的氨基酸残基的排列则没有重复性。从 侧链的疏水性来看，丝素蛋白的重链和轻链的氨基酸疏水侧链和亲水侧链均非常 规整地相间排列，疏水嵌段由4 一1 0 个丙氨酸残基通过单个丝氨酸残基连接构 成。疏水程度较小的嵌段含有高度集中的甘氨酸残基，长度较疏水嵌段长一些， 而且在长度和成分上更易变化，是结晶和半结晶区的主要成分。由于轻链和p 2 5 盔j e _ 盘监盅t 匕噬主童 笠二童室鲢筮述 蛋白所占的比例很低，因此我们的讨论一般指的是重链。各氨基酸残基所占的比 例见表1 2 f ”1 。 表1 2 b o m b y xm o r i 蚕丝的氨基酸组成一览表1 2 t a b l e1 2a m i n oa c i dc o n t e n to f n a t i v er e g e n e r a t e db o m b y xm o r is i l k 1 2 1 1 2 丝素蛋白的构象及聚集态结构 丝素蛋白在稀水溶液中主要以无规卷曲的结构存在，但对于丝素蛋白而占， 无规卷曲结构并不是热力学上的稳定结构。在一定的外界条件作用下( 如温度、 湿度、浓度、p h 值的变化、溶剂处理、融解作用、金属离子作用及剪切应力作 用等) 会发生由无规卷曲向且一折叠的构象转变 4 4 1 。当然，在某些盐和酸的条 件下，也会发生丝素蛋白结构由b 一折叠向无规线团的转变。即使不存在任何 外部作用，随着浓度的增加，超过5 后，丝素蛋白也会逐渐转变成为能量更低 的1 3 一折叠结构，其含量随着丝素蛋白的浓度的增加而迅速增加。但是在蚕腺 体的中部，丝素蛋白以凝胶形态存在，浓度高达3 0 左右，却仍能保持无规线 团的结构。丝素蛋白中的b 一折叠与p o l y ( a l a g l y ) 十分相似，所有的甘氨酸均 位于b 一折叠的同一面，并紧密堆砌在起；而另一面由于酪氨酸的体积较大 并且丝氨酸和酪氨酸均含有丰富的羟基，使得结构不太规则。 4 盎生点鲎盟迨塞 釜= 童塞熊绽蕉 蚕腺体中前部内溶胶状的丝素蛋白溶液处于种向列型液晶态形式，旦从 碛丝头纺出这种浓稠的丝素蛋白剧变成半结晶的丝。蚕吐丝就是将这种高浓度 液晶态下的丝素蛋白通过其独特的工艺纺制成高性能纤维的，这也是一个在应力 作用下丝素蛋白从无规线团构象快速转变成b 折叠构象的蛋白质变性过程。 其中，从蚕丝纤维的聚集念结构来看，约5 5 结晶态的口一折叠结构分散在无 定型的基体上，整个丝素分子链沿着纤维的长轴方向取向4 5 1 。这种微小结晶区 分散于连续的非结晶区、并且高度取向是蚕丝纤维具有出色的力学性能的主要原 因。 在用x 一射线衍射、拉曼光谱0 0 a m a n ) 、园二色谱( c d ) 、电子衍射、构象能 量计算、红外光谱、原子力显微镜( a f m ) 以及核磁共振谱( n m r ) 等方法对b o m b y x m o r i 蚕丝的研究中，发现丝蛋白的结晶形态主要分为两种，s i l ki ( 丝素1 ) 和 s i l ki i ( 丝素i i ) 1 6 o 研究认为s i l ki i 是以氢键连接的反平行b 一折叠结构。然而 另一种结晶形态- - s i l ki ，虽然长期以来人们对它很感兴趣，但是由于其结构的不 稳定，容易转变成为结构更为稳定的s i l ki i 结构，很难得到完善的s i l ki 晶体， 因此对它的结构至今所知甚少。人们曾提出一些模型试图解释s i l ki 的结构，包 括c r a n k s h a f t 模型，松散四螺旋模型，以及f o s s e y 提出的根据p o l y ( l g l y ) 的构 象能量计算得到的模型【1 9 1 。但是这些模型都不能完全解释所有的实验现象。另 外，近几年有人发现在水一空气界面制备的丝素蛋白的l b 膜中有另外一种不同 于s i l ki 和s i l ki i 结构的丝素蛋白晶体结构，被称之为s i l ki i i 23 1 。这是一种左手 3 2 螺旋结构的三方晶系的结晶，具有3 2 螺旋的左手甘氨酸i i ( 1 e t t - h a n d e d p o l y g l y c i n e i it y p eo f 3 2h e l i c a lc o n f o r m a t i o n ) 相似的结构。但是这种结构并未得 到人们的广泛认同。 1 2 蜘蛛和蚕的纺丝过程剖析 蚕丝是在蚕的腺体内合成和加工而成的。蚕体内有一对绢丝腺，绢丝腺分前、 中、后三部分4 6 1 。后部绢丝腺合成和分泌液状丝素，中部绢丝腺合成和分泌液 状丝胶。液状丝素流入中部丝腺时被液状丝胶包围。蚕吐丝时，靠腺腔内的压力， 液状绢( 包括丝素和丝胶) 被送往前部丝腺。在此过程中，由于水分减少，液状绢 的浓度逐渐增大。一对绢丝腺在前部丝腺的顶端合而为一，与吐丝管相接，液状 5 蠡生叁堂蝗途塞 苤二童塞趑篓蕉 丝素在流经吐丝管特别是在通过其中直径最细的压丝部时，受剪切力作用，分子 互相磨擦，使呈无规卷曲状的丝素分子链伸展，向线型的p 折叠结构改变，并 发生分子链的取向和结晶。在这个过程中，从无规卷曲肽链的分子内氢键向伸展 肽链的分子间氢键改变。上述过程称为丝素的纤维化。蚕连续不断地吐出茧丝， 并靠外围丝胶的粘合而形成茧层。 蜘蛛丝是由位于蜘蛛腹部的腺体合成的，然后经过纺丝管和喷丝口牵引纺 出，其纺丝器的结构要比蚕的吐丝器复杂得多h 7 t4 8 9 1 ，图1 1 显示了蜘蛛和蚕的 纺丝过程示意图。 k + n a + p o , e x c h a n g e 图1 1蜘蛛和蚕的纺丝流程示意图 f i g u r e1 1 as c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es p i n n i n gp r o c e s so fs i l k w o r ma n ds p i d e r 从图1 1 可以看出，后部丝腺合成的丝素蛋白水溶液在进入中部和前部丝腺、 最后经过喷丝口而形成纤维的过程中，经历了一系列的变化。首先，从中部丝腺 到前部丝腺和喷丝口，丝腺的直径逐渐变细，丝素蛋白水溶液所受到的剪切速率 逐渐增大。同时，丝素蛋白水溶液中的水分逐渐减少，溶液的浓度逐渐升高，还 存在着钠、钾、磷等离予的交换和p h 值的变化。结果使得丝素蛋白分子由无规 卷曲构象逐渐转变为丝素i 构象，并在前部丝腺内出现液晶现象，溶液的粘度降 6 盔芏立生嚏丝塞 筮= 童皇鲢壁整 低，从而顺利经过前部丝腺和喷丝口。在这其问丝素蛋白分子受到更大的剪切作 用，构象进一步转变为丝素i i 型，最终不溶于水而成为纤维。但人们对这一过 程的具体变化并不十分清楚，对于溶液中多种金属离子对纺丝成形的影响、p h 值的变化、丝素蛋白分子所经受的剪切应力以及构象的变化等都还没有统一的说 法。下面进一步介绍这一领域的研究情况。 1 3 蜘蛛丝和蚕丝的成形及液晶形成机理 人们通过大量的实验发现，在蜘蛛和蚕的纺丝过程中会出现液晶现象。有不 少人试图对这一现象进行解释，其中最有代表的人物是v i n e y ，他用偏光显微镜 证实了蚕和蜘蛛丝腺分泌物的液晶现象m5 1 ，5 2 1 ，并首先于1 9 9 1 年在n a t u r e 上发 表了文章，随后他又提出了形成液晶的机理。但由于表征手段单一，人们对他的 液晶理论持怀疑态度5 3 ，5 4 , 5 印。同时，在这方面较有研究的还有日本的i i z u k e 1 8 t 9 ， 5 6 l 和m a g o s h i t 2 ( ，2 1 ，5 ，我国的于同隐5 9 ，6 川和邵正中 6 1 硎教授在这一领域也有多 年的研究。他们对于丝素蛋白水溶液的液晶形成机理有许多相同的认识，