絲蛋白結(jié)構(gòu)的同步輻射紅外表征和基于絲蛋白納米微纖復(fù)合材料的制備.pdf

1、動(dòng)物絲（主要是蠶絲和蜘蛛絲）以其優(yōu)異的綜合力學(xué)，近半個(gè)世紀(jì)以來一直受到生物學(xué)家、化學(xué)家以及材料學(xué)家們的關(guān)注。經(jīng)過科學(xué)家們的不懈努力，人們已經(jīng)掌握了部分動(dòng)物絲（如Nephila clavipes蜘蛛主腺體絲和桑蠶絲等）的絲蛋白序列結(jié)構(gòu)，并初步探討了某些基序(motif)與固態(tài)動(dòng)物絲中二級(jí)結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。目前大部分研究者認(rèn)為動(dòng)物絲是由微小的晶區(qū)（主要為β-折疊結(jié)構(gòu)，從嚴(yán)格意義上只能說是結(jié)晶較好的區(qū)域，因?yàn)槠渲写嬖谳^多缺陷）分散在連續(xù)的非晶區(qū)

2、中（主要為無規(guī)線團(tuán)和/或螺旋結(jié)構(gòu)）形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。然而，至今人們?nèi)圆磺宄@些二級(jí)結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)域）是以何種方式組裝成更高級(jí)的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)并使動(dòng)物絲表現(xiàn)出相應(yīng)的力學(xué)性能?？茖W(xué)家們?cè)噲D采用各種表征手段來破解動(dòng)物絲的強(qiáng)韌之謎，并已普遍認(rèn)為對(duì)動(dòng)物單絲的表征是建立動(dòng)物絲二級(jí)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能之間相互關(guān)系模型的最有效方法，其原因在于不同動(dòng)物絲的二級(jí)結(jié)構(gòu)和力學(xué)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(dòng)物絲之間，而且也存在于同種動(dòng)物絲的不同部位。

3、由于動(dòng)物絲單絲普遍較細(xì)，如Nephila clavipes蜘蛛主腺體絲的直徑一般在5-20μm左右，因此對(duì)于動(dòng)物絲單絲的表征具有相當(dāng)?shù)碾y度。目前文獻(xiàn)報(bào)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(duì)動(dòng)物絲單絲進(jìn)行的研究。但是紅外光譜這一研究蛋白質(zhì)構(gòu)象最為常用的方法，對(duì)于動(dòng)物絲單絲的報(bào)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(hào)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(gè)數(shù)量級(jí)）對(duì)動(dòng)物絲單絲進(jìn)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(zhì)量紅外光譜，并對(duì)各光譜的酰胺Ⅲ進(jìn)行了詳細(xì)歸屬。根據(jù)歸屬結(jié)果，我們進(jìn)一步采用分峰擬合的方式，半定量地計(jì)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(jì)算結(jié)果與固體核磁、X-射線衍射和拉曼光譜的結(jié)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(dòng)物絲單絲方法的基礎(chǔ)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(yīng)變:0.0-0.3)，絲蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)（含量和取向）的變化。結(jié)果表明，在拉伸應(yīng)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(tuán)和螺旋構(gòu)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(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)榱藷o規(guī)線團(tuán)。上述研究結(jié)果一方面有利于我們更加深入地了解動(dòng)物絲的超收縮現(xiàn)象和后拉伸對(duì)絲結(jié)構(gòu)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(shù)在表征動(dòng)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(duì)于動(dòng)物絲結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)注外，科學(xué)家們對(duì)絲的另一個(gè)研究重點(diǎn)則在于新型絲蛋白材料的開發(fā)。絲蛋白的應(yīng)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(qiáng)材料的性能或?qū)崿F(xiàn)特殊的功能，絲蛋白

7、往往需要與其他高分子材料進(jìn)行共混，而共混體系的結(jié)構(gòu)（包括相行為和組分的分子結(jié)構(gòu)）對(duì)共混材料的性能起著決定性的作用。因此對(duì)于絲蛋白基復(fù)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(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析(DTMA)，都不能直接獲得共混體系中各組分的化學(xué)結(jié)構(gòu)信息。但是，紅外光譜成像技術(shù)則能很好地彌補(bǔ)上述不足，通過該技術(shù)，我們不僅可以測(cè)定絲蛋白組分

8、在共混體系中的分布（表征復(fù)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(jié)構(gòu)。因此，在本論文中，我們采用紅外光譜成像技術(shù)對(duì)絲蛋白/高分子共混體系的相行為進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。我們選取了應(yīng)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(yùn)用官能團(tuán)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(jié)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(jié)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(jí)結(jié)構(gòu)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(tuán)或螺旋結(jié)構(gòu)存在，而在聚氧化乙烯富集相中則主要以β-折疊結(jié)構(gòu)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(shù)來進(jìn)一步研究絲蛋白/聚氧化乙烯體系，因?yàn)槠淇臻g分辨率能夠達(dá)到30 nm，甚至更佳。該技術(shù)不僅可以定量地分析出各組分在不同像素位置的相對(duì)含量，而且可以測(cè)定各像素點(diǎn)上樣品的厚度。因此，結(jié)合紅外光譜成像技術(shù)和掃描透射X射線顯微成像技術(shù)，我們可以對(duì)絲蛋白/高分子共混體系進(jìn)行全面的結(jié)構(gòu)解析。但是，這兩種成像技術(shù)的基礎(chǔ)都是找到各共混組分獨(dú)立的特征

11、峰，所以在分析絲蛋白與其他蛋白質(zhì)共混的體系時(shí)可能會(huì)遇到一定的困難，不過我們發(fā)現(xiàn)借助遠(yuǎn)紅外光譜技術(shù)在一定程度上能夠解決該問題，我們采用遠(yuǎn)紅外光譜對(duì)桑蠶絲和柞蠶絲蛋白表征的結(jié)果表明，兩種絲蛋白在遠(yuǎn)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(dú)立的特征峰。
　　在對(duì)絲蛋白結(jié)構(gòu)進(jìn)一步了解的基礎(chǔ)上，我們通過合理調(diào)控絲蛋白的自組裝，制備了兩種絲蛋白納米微纖的功能復(fù)合材料:(1)絲蛋白納米微纖/石墨烯功能雜化材料。通過調(diào)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(zhǎng)成為密集堆積的納米微纖，并通過真空抽濾的方法，進(jìn)一步將該組裝雜化體制備成了具有高度有序結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和性能上的優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用前景。(2)絲蛋白納米微纖/淀粉樣纖維復(fù)合膜材料。我們通過乙醇誘導(dǎo)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(zhì)的復(fù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上的差異也導(dǎo)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(xué)性能和孔徑大小可以調(diào)節(jié)的純蛋白質(zhì)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(yīng)的功能材料