絲蛋白結構的同步輻射紅外表征和基于絲蛋白納米微纖復合材料的制備.pdf

1、動物絲（主要是蠶絲和蜘蛛絲）以其優(yōu)異的綜合力學，近半個世紀以來一直受到生物學家、化學家以及材料學家們的關注。經過科學家們的不懈努力，人們已經掌握了部分動物絲（如Nephila clavipes蜘蛛主腺體絲和桑蠶絲等）的絲蛋白序列結構，并初步探討了某些基序(motif)與固態(tài)動物絲中二級結構的對應關系。目前大部分研究者認為動物絲是由微小的晶區(qū)（主要為β-折疊結構，從嚴格意義上只能說是結晶較好的區(qū)域，因為其中存在較多缺陷）分散在連續(xù)的非晶區(qū)

2、中（主要為無規(guī)線團和/或螺旋結構）形成的復合結構材料。然而，至今人們仍不清楚這些二級結構（結構域）是以何種方式組裝成更高級的凝聚態(tài)結構并使動物絲表現(xiàn)出相應的力學性能?？茖W家們試圖采用各種表征手段來破解動物絲的強韌之謎，并已普遍認為對動物單絲的表征是建立動物絲二級結構和力學性能之間相互關系模型的最有效方法，其原因在于不同動物絲的二級結構和力學性能的差異都比較大，而且這種差異不僅存在于不同種類的動物絲之間，而且也存在于同種動物絲的不同部位。

3、由于動物絲單絲普遍較細，如Nephila clavipes蜘蛛主腺體絲的直徑一般在5-20μm左右，因此對于動物絲單絲的表征具有相當?shù)碾y度。目前文獻報道中，只有為數(shù)不多的采用同步輻射X-射線衍射和拉曼光譜對動物絲單絲進行的研究。但是紅外光譜這一研究蛋白質構象最為常用的方法，對于動物絲單絲的報道則幾乎沒有。其主要原因在于普通紅外光譜儀中傳統(tǒng)紅外光源globar發(fā)出的紅外光的光斑尺寸遠遠大于單絲的直徑，所以大部分紅外光都無法照在單絲上，紅外

4、信號極其微弱而無法獲得有用的信息。因此在本論文中，我們采用了具有超高亮度的同步輻射紅外顯微光譜（比傳統(tǒng)紅外光源亮度高2-3個數(shù)量級）對動物絲單絲進行了深入的研究。
　　首先，通過合理選擇同步輻射紅外顯微光譜的狹縫尺寸，我們獲得了桑蠶絲、柞蠶絲和蜘蛛主腺體絲的高質量紅外光譜，并對各光譜的酰胺Ⅲ進行了詳細歸屬。根據(jù)歸屬結果，我們進一步采用分峰擬合的方式，半定量地計算出了三種絲中β-折疊的百分含量。其中，桑蠶絲為28±4％、柞蠶絲為23

5、±2％、蜘蛛主腺體絲為17±4％。我們的計算結果與固體核磁、X-射線衍射和拉曼光譜的結果基本一致。其次，在成功建立同步輻射紅外顯微光譜表征動物絲單絲方法的基礎上，我們以柞蠶絲為模型，深入地研究了在拉伸變形條件下(拉伸應變:0.0-0.3)，絲蛋白二級結構（含量和取向）的變化。結果表明，在拉伸應變從0.0增大到0.3的過程中，β-折疊的含量和取向都沒有發(fā)生明顯變化，仍沿單絲軸方向高度取向，但是無規(guī)線團和螺旋構象則在此過程中發(fā)生了明顯變化，

6、兩者的取向都明顯增加，且一部分的螺旋構象轉變?yōu)榱藷o規(guī)線團。上述研究結果一方面有利于我們更加深入地了解動物絲的超收縮現(xiàn)象和后拉伸對絲結構的影響，另一方面，也充分證明了同步輻射紅外顯微光譜技術在表征動物絲以及其他高分子纖維材料方面具有很大的潛力。
　　除了對于動物絲結構和性能的關注外，科學家們對絲的另一個研究重點則在于新型絲蛋白材料的開發(fā)。絲蛋白的應用已由傳統(tǒng)的織物發(fā)展成了潛在的生物醫(yī)用材料。為了增強材料的性能或實現(xiàn)特殊的功能，絲蛋白

7、往往需要與其他高分子材料進行共混，而共混體系的結構（包括相行為和組分的分子結構）對共混材料的性能起著決定性的作用。因此對于絲蛋白基復合材料相行為的研究顯得尤其重要。但是通常用于表征絲蛋白相行為的方法，例如、掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、差示掃描量熱法(DSC)和動態(tài)熱機械分析(DTMA)，都不能直接獲得共混體系中各組分的化學結構信息。但是，紅外光譜成像技術則能很好地彌補上述不足，通過該技術，我們不僅可以測定絲蛋白組分

8、在共混體系中的分布（表征復合材料中各組分間的相容性），而且可以通過特定區(qū)域提取出的單像素紅外光譜來分析絲蛋白的結構。因此，在本論文中，我們采用紅外光譜成像技術對絲蛋白/高分子共混體系的相行為進行了系統(tǒng)地研究。我們選取了應用較為廣泛的絲蛋白/殼聚糖(SF/CS)、絲蛋白/海藻酸鈉(SF/SA)、絲蛋白/聚乙烯醇(SF/PVA)和絲蛋白/聚氧化乙烯(SF/PEO)共混體系，運用官能團成像（也稱為單變量成像）研究了各共混體系的相容性。研究結果

9、表明，絲蛋白/殼聚糖是完全相容的，絲蛋白/海藻酸鈉是部分相容的，而絲蛋白/聚乙烯醇和絲蛋白/聚氧化乙烯則都是不相容（相分離）的，其結果與DSC和DTMA得到的一致。更為重要的是，通過從不同像素位置提取出的紅外光譜，我們發(fā)現(xiàn)了不同相中絲蛋白在二級結構上的差異。例如，在絲蛋白/聚氧化乙烯共混體系中，我們發(fā)現(xiàn)絲蛋白在絲蛋白富集區(qū)中主要以無規(guī)線團或螺旋結構存在，而在聚氧化乙烯富集相中則主要以β-折疊結構存在。為了克服紅外光譜成像空間分辨率有限（

10、4μm）以及不能定量分析組分含量的缺陷。我們還引入了掃描透射X射線顯微成像(STXMimaging)技術來進一步研究絲蛋白/聚氧化乙烯體系，因為其空間分辨率能夠達到30 nm，甚至更佳。該技術不僅可以定量地分析出各組分在不同像素位置的相對含量，而且可以測定各像素點上樣品的厚度。因此，結合紅外光譜成像技術和掃描透射X射線顯微成像技術，我們可以對絲蛋白/高分子共混體系進行全面的結構解析。但是，這兩種成像技術的基礎都是找到各共混組分獨立的特征

11、峰，所以在分析絲蛋白與其他蛋白質共混的體系時可能會遇到一定的困難，不過我們發(fā)現(xiàn)借助遠紅外光譜技術在一定程度上能夠解決該問題，我們采用遠紅外光譜對桑蠶絲和柞蠶絲蛋白表征的結果表明，兩種絲蛋白在遠紅外區(qū)具有完全不同的特征峰，而且在兩者的共混體系中也能找到各自獨立的特征峰。
　　在對絲蛋白結構進一步了解的基礎上，我們通過合理調控絲蛋白的自組裝，制備了兩種絲蛋白納米微纖的功能復合材料:(1)絲蛋白納米微纖/石墨烯功能雜化材料。通過調控絲蛋

12、白的自組裝條件（pH和溫度等），我們使絲蛋白選擇性地在石墨烯表面生長成為密集堆積的納米微纖，并通過真空抽濾的方法，進一步將該組裝雜化體制備成了具有高度有序結構且宏觀可用的功能雜化膜。這種膜材料充分發(fā)揮了絲蛋白和石墨烯在結構和性能上的優(yōu)點，在組織工程、納米電子器件和生物傳感器等方面都有良好的應用前景。(2)絲蛋白納米微纖/淀粉樣纖維復合膜材料。我們通過乙醇誘導絲蛋白自組裝形成了均勻分散的微纖溶液，并將其與淀粉樣纖維混合，然后采用真空抽濾成

13、膜的方法，將兩者組裝成了純蛋白質的復合膜。雖然兩種纖維都是由沿著纖維軸方向排列的β-折疊結構所組成，但在β-股(β-strands)的排列方式上卻存在明顯差異（在絲蛋白納米微纖中β-股平行于纖維軸方向，而在淀粉樣纖維中則垂直于纖維軸方向），這種結構上的差異也導致了兩種纖維性能的區(qū)別。因此，我們通過控制兩種纖維的比例，制備了力學性能和孔徑大小可以調節(jié)的純蛋白質多孔膜，并通過在兩種纖維體系中加入磁性納米粒子，制備出具有水和磁性響應的功能材料