影响丝蛋白构象的外源性因素以及再生丝蛋白纤维的制备

论文摘要

天然动物丝（主要是蚕丝和蜘蛛丝）以其优异的综合力学性能受到人们越来越广泛的关注，尤其是蜘蛛牵引丝的综合力学性能几乎优于目前所有的人造纤维材料。因此，长期以来人们尝试用不同的方法对再生或重组丝蛋白溶液进行人工模拟纺丝，但是所得到的人工丝的力学性能几乎都较天然丝差。实际上，天然丝的形成是一个与动物生命活动密切相关的复杂过程。无论是桑蚕或蜘蛛，其吐丝过程都是将在丝腺体中呈螺旋或无规线团构象的丝蛋白溶液通过一定的方式（主要是应力作用）转变成以β-折叠构象为主的固体丝的过程。因此，在基于桑蚕或蜘蛛生物体内吐丝环境的基础上，了解丝蛋白如何在高浓度下保持可溶状态（螺旋或无规线团构象），又是如何从螺旋或无规线团构象转变到β-折叠构象（成丝），以及引起和影响这种转变的因素，是破译吐丝机理以及实现人工模拟纺丝的关键之一。本论文首先采用质子诱导X射线发射（PIXE），电感耦合等离子体质谱（ICP-MS），原子吸收光谱（AAS）等多种元素分析技术，较为详尽地考察了桑蚕吐丝过程中其体内的吐丝环境。研究结果发现在桑蚕吐丝过程中包含了多种金属元素共存[如K、Na、Ca、Mg、Cu、Zn等]，而且这些金属元素的含量在吐丝过程中是不断变化的。另外通过比较桑蚕丝腺体和不同丝纤维（蚕茧丝、强拉丝和脱胶丝）中这些金属元素的含量以及变化规律，我们有理由相信这些存在于桑蚕吐丝环境中的金属元素有效地参与了桑蚕的吐丝过程。为了研究这些金属元素对纺丝液的储存和在吐丝过程中的作用，进而在基于生物体内吐丝环境的基础上获得更多有关桑蚕吐丝机理的认识，我们通过模拟桑蚕的体内环境，对再生丝蛋白溶液进行浓缩，发明了一种高浓度再生丝蛋白溶液的制备方法，然后采用拉曼光谱技术来分析金属离子对丝蛋白构象转变的影响。该高浓度再生丝蛋白溶液的独特之处在于：它的浓度不仅和桑蚕丝腺体中的丝蛋白浓度相同，而且还很好地保持了桑蚕丝腺体内丝蛋白的构象状态，克服了以往丝蛋白的研究中仅仅着眼于水溶液（将从丝腺体中取出的丝蛋白溶于纯水，或经过纯水透析后的再生丝蛋白溶液）或者再生丝蛋白膜的缺点。我们选择在天然丝蛋白中所具有的最主要的六种金属元素（Cu、Zn、K、Na、Ca、Mg）并将其按过渡金属、碱金属、碱土金属分类，来具体分析它们对丝蛋白构象转变的影响。通过拉曼光谱并对其进行分峰拟合处理，半定量地研究了金属离子的含量与丝蛋白构象转变之间的关系。研究结果发现：在桑蚕吐丝的整个过程中，丝蛋白在应力以及这些不同种类金属元素的协同作用下，实现了从丝蛋白溶液到固体丝的转变过程。其中在桑蚕腺体中大量存在的Ca（Ⅱ）可以帮助丝蛋白分子维持高浓度下的无规线团／过渡态的构象；随着纺丝过程的进行，Ca（Ⅱ）含量的减少以及K（Ⅰ）、Na（Ⅰ）含量的增加则有利于溶胶状的丝蛋白分子溶液化，使得丝蛋白分子链在低应力作用下更加容易地取向排列；而Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）和Mg（Ⅱ）含量的增加则有利于诱导丝蛋白分子发生从无规线团到β-折叠的构象转变。尤其要注意的是，少量的Cu（Ⅱ）[1.6×10-3＜Cu（Ⅱ）／SF＜1.6×10-2]即可引发丝蛋白发生明显的从无规线团到β-折叠的构象转变。考虑到Cu（Ⅱ）对丝蛋白β-折叠构象形成的明显促进作用，而且Cu（Ⅱ）在其他几种活性蛋白（朊蛋白，Aβ淀粉状蛋白等）的变异过程中也起着非常重要的作用，因此，本论文还采用紫外／可见光催化动力学光度法（UV）研究了再生丝蛋白稀溶液中痕量Cu（Ⅱ）与丝蛋白分子链的作用，同时还采用X光电子能谱（XPS）来研究具有不同Cu（Ⅱ）含量的再生丝蛋白膜[RSF-Cu（Ⅱ）膜]中Cu（Ⅱ）电子结合能的变化，以进一步阐述Cu（Ⅱ）与丝蛋白之间的作用。上述两个实验的研究结果相当吻合：Cu（Ⅱ）与丝蛋白可以发生明显的络合作用，但只有当Cu(Ⅱ／SF＜1／2，500（UV）或者当Cu（Ⅱ）／SF＜1／1，000（XPS）时，丝蛋白分子才可以充分络合Cu（Ⅱ），表明丝蛋白分子链络合Cu（Ⅱ）的能力有限。而从RSF-Cu（Ⅱ）膜的拉曼光谱中我们进一步发现：只有当Cu(Ⅱ／SF＞1／1，000时，这种络合作用才可以促使丝蛋白分子发生明显的β-折叠构象转变。由于在桑蚕腺体以及桑蚕丝中存在的Cu（Ⅱ），其与丝蛋白的质量比远小于1／1，000，因此在真实的桑蚕吐丝过程中，可能是这些微量的Cu（Ⅱ）先和少量的丝蛋白分子链络合，从而引发这部分丝蛋白分子链发生从无规线团到β-折叠的构象转变，起到了一个“成核”的作用。以往人工模拟纺丝过程中仅仅考虑丝蛋白本身的作用，即将丝蛋白溶解在某种溶剂中就进行人工纺丝，因此人工纺丝液中丝蛋白含量较丝腺体中要低许多，这不仅增加了人工纺丝的难度，而且纺出的人工丝的力学性能无法和天然丝相比。本论文的研究克服了上述纺丝液浓度难以提高的缺点，利用前述高浓度再生丝蛋白水溶液，通过湿法纺丝制备再生蚕丝蛋白纤维，并独创了采用多元醇以及高分子聚醇作为湿法纺丝凝固浴的纺丝方法。同时，本论文还研究了不同种类丝蛋白溶液作纺丝液（天然桑蚕腺体蛋白、不同脱胶丝制备的高浓度再生丝蛋白溶液）、不同种类凝固浴（盐溶液、醇以及醇的水溶液、PEG）和纺丝后处理工艺（拉伸、热湿处理）对制得的再生蛋白纤维的表面形貌、微观结构以及力学性能的影响。研究结果发现：在某些条件下，利用工业废丝制备的高浓度再生丝蛋白水溶液作纺丝液，通过湿法纺丝在上述各类凝固浴中我们可以得到力学性能相当优良的再生纤维，其力学强度已经超过天然蚕丝甚至于接近天然蜘蛛丝的力学强度。但是由于本论文所采用的注射纺丝过程中，有许多因素很难控制均匀，因此得到的再生纤维性能不均。但是，我们有充分的理由相信：只要合理调控各种纺丝条件如纺丝液浓度、凝固浴、纺丝速率及热湿处理工艺等，选用高浓度再生丝蛋白的水溶液作纺丝原液进行湿法纺丝，从而得到性能接近甚至超过天然丝的再生丝蛋白纤维是完全可行的。

论文目录

• 博士学位论文摘要
• Abstract
• 第一章 综述
• 1.1 天然动物丝的研究
• 1.1.1 动物丝的结构及化学组成
• 1.1.2 丝蛋白的构象及聚集态结构
• 1.1.3 动物丝的形成过程
• 1.1.4 动物丝的力学性能
• 1.2 人工制备丝蛋白纤维的研究
• 1.2.1 再生蜘蛛丝蛋白的人工纺丝
• 1.2.2 重组蜘蛛丝蛋白的人工纺丝
• 1.2.3 再生蚕丝蛋白的人工纺丝
• 1.2.4 丝蛋白的电纺纺丝
• 1.2.5 丝蛋白的共混纺丝
• 1.2.6 再生丝蛋白纤维的发展前景
• 1.3 本课题研究目的和研究内容
• 参考文献
• 第二章 桑蚕丝腺体和丝纤维中金属元素的种类及含量
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 材料与试剂
• 2.2.2 样品的制备
• 2.2.3 样品的表征
• 2.2.3.1 质子诱导X射线发射（PIXE）测定
• 2.2.3.2 电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定
• 2.2.3.3 原子吸收光谱（AAS）测定
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.3.1 丝腺体和蚕茧丝中金属元素含量的比较
• 2.3.2 丝腺体不同部位金属元素含量的比较
• 2.3.3 不同种类蚕丝中金属元素含量的比较
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 桑蚕吐丝环境中的金属离子对丝蛋白构象转变的影响
• 3.1 引言
• 3.2 拉曼光谱简介
• 3.3 实验部分
• 3.3.1 材料与试剂
• 3.3.2 样品的制备与表征
• 3.3.2.1 天然丝蛋白的制备
• 3.3.2.2 高浓度再生丝蛋白溶液的制备
• 3.3.2.3 拉曼光谱表征及相关分析
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 金属离子对天然丝蛋白的影响
• 3.4.2 金属离子对再生丝蛋白的影响
• 3.4.2.1 Cu（II）、Zn（II）对高浓度再生丝蛋白溶液构象的影响
• 3.4.2.2 K（I）、Na（I）对高浓度再生丝蛋白溶液构象的影响
• 3.4.2.3 Ca（II）、Mg（II）对高浓度再生丝蛋白溶液构象的影响
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 Cu（II）与丝蛋白分子的络合作用
• 4.1 引言
• 4.2 紫外/可见光催化动力学光度法的基本原理
• 4.3 X光电子能谱（XPS）简介
• 4.4 实验部分
• 4.4.1 材料与试剂
• 4.4.2 样品的制备与表征
• 4.4.2.1 再生丝蛋白稀溶液的制备
• 4.4.2.2 再生丝蛋白膜的制备
• 4.4.2.3 紫外/可见光催化动力学实验
• 4.4.2.4 RSF-Cu（II）膜的XPS实验
• 4.4.2.5 RSF-Cu（II）膜的拉曼光谱实验
• 4.5 结果与讨论
• 4.5.1 紫外/可见光催化动力学实验
• 4.5.2 RSF-Cu（II）膜的XPS实验及相关分析
• 4.5.3 RSF-Cu（II）膜的拉曼光谱
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 再生蚕丝蛋白纤维制备的初步探索
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 材料与试剂
• 5.2.2 样品的制备与表征
• 5.2.2.1 高浓度再生丝蛋白溶液的制备
• 5.2.2.2 再生丝蛋白纤维的制备
• 5.2.2.3 再生丝蛋白膜的制备
• 5.2.2.4 拉曼光谱测试
• 5.2.2.5 扫描电镜（SEM）测试
• 5.2.2.6 力学性能测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 凝固浴的影响
• 5.3.1.1 盐溶液作凝固浴
• 5.3.1.2 小分子醇及其水溶液作凝固浴
• 5.3.1.3 聚合物水溶液作凝固浴
• 5.3.2 不同种类凝固浴中丝蛋白的成纤过程
• 5.3.3 纺丝液的影响
• 5.3.3.1 天然桑蚕腺体蛋白作纺丝液
• 5.3.3.2 不同脱胶条件的脱胶丝制备高浓度再生丝蛋白溶液作纺丝液
• 5.3.4 其他因素的影响
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 博士论文工作总结
• 发表论文及专利
• 致谢