再生丝素蛋白水溶液的性能研究

天然动物丝(如蜘蛛丝和蚕丝)具有较高的强度和极强的韧性，其综合力学性能远远优于普通的合成纤维，近年来受到材料和生物领域科学家的广泛关注[1～5]。但由于不同构象丝素蛋白分子的性能差别很大，且丝素蛋白成型十分复杂，目前对蚕吐丝过程中的相关因素还不完全了解，如液晶的形成、温度、水含量、pH值、剪切应力和微量金属原子的影响等[2～10]。研究表明，在蚕丝腺体内，随着丝素蛋白由腺体的后部向前部直至向吐丝口的推进，天然丝素蛋白的构象由无规线团转向向列型液晶，直至向β-折叠转变[2,3]。Magoshi等[4]切开正在吐丝的蚕的前部丝腺，用偏光显微镜观察到液态丝蛋白是一种光学各向异性的流动态液晶。Kerkam等[3]研究证实蚕的中部丝腺内液状丝素呈液晶有序态。为此，作者首先对所制备的再生丝素蛋白(Regenerated silk fibroin,RSF)水溶液的偏光行为进行初步研究，然后以毛细管代替蚕的“腺体”，就再生丝素蛋白水溶液剪切前后的流动性能进行了对比研究。

1 实验

1.1 材料、试剂与仪器

春蚕茧(产于四川西昌)，市售。

纤维素透析袋：MWCO(14 000±2000)，上海源聚生物科技有限公司；实验用试剂均为分析纯。

日本Olympus BX51型偏光显微镜(放大倍数为10×50)；DDS-11A型电导率仪；SHB-ⅢA型循环水式多用真空泵；DZF-6020型真空干燥箱；FA2104S型电子天平；CHS-1型恒温器；SDH-02N(C)型低温恒温恒湿箱；气流浓缩装置、平板剪切流动装置、微型纺丝装置，自制。

1.2 再生丝素蛋白水溶液的制备

依据前期研究方法[8]，在低温无剪切的温和条件下，将春蚕茧茧层脱胶、溶解、透析、提纯，得到稀的再生丝素蛋白水溶液，然后经气流浓缩装置处理，制得不同浓度的再生丝素蛋白水溶液。

1.3 再生丝素蛋白水溶液的剪切

再生丝素蛋白水溶液的剪切在平板剪切流动装置上进行。实验时，在两块平行的玻璃板间填充再生丝素蛋白水溶液，保持上玻璃板固定不动，用牵引机向前牵引下玻璃板来实现对溶液的剪切作用。

1.4 再生丝素蛋白水溶液偏光行为的研究

将25%再生丝素蛋白水溶液滴到载玻片上，然后轻轻地压上盖玻片，静置，用偏光显微镜观察再生丝素蛋白水溶液在无剪切作用下的偏光现象。

模拟纺丝过程，对15%、25%、30%三种浓度的再生丝素蛋白水溶液(分别接近蚕后部、中部和前部腺内丝素蛋白浓度)进行相同程度的机械牵引，剪切速度为153 s-1，观察施加剪切作用后溶液的偏光现象。

1.5 再生丝素蛋白水溶液流动性能的研究

蚕体内纺丝液在吐丝管中的流动可以看作是剪切应力下的流动。

为了模拟天然丝素蛋白溶液在流经腺体时受到的剪切过程，首先将新鲜制备的未剪切的再生丝素蛋白水溶液(简称原始溶液)轻轻注入注射器中，然后将其放到微型纺丝装置上[7]，并在注射器的出口处接入一定长度的毛细管(内径530 μm、长50 cm)以代替蚕的前部丝腺，使注射器中溶液在压力的作用下以不同的挤出速率流经毛细管(1～150 mL·h-1)，进而受到毛细管的剪切作用。记录流出约2 mg丝素溶液所需的时间，然后将通过毛细管剪切层的溶液(简称剪切溶液)重复做以上实验。对剪切前后溶液的流动性能进行比较研究。

2 结果与讨论

2.1 再生丝素蛋白水溶液的偏光行为

蚕实行的是液晶而不是各向同性溶液的贮存和纺丝，而判断丝素的液晶行为的最重要依据就是在偏光下观察其结构特性。

实验发现，25%再生丝素蛋白水溶液开始静置时，盖玻片内外的溶液均呈现出光学各向同性；而在静置30 min后，盖玻片边缘处的溶液由于水分的蒸发而使浓度升高，出现了光学各向异性现象(图1)，但盖玻片和载玻片间的溶液仍为各向同性。这可能是由于低浓度的再生丝素蛋白水溶液包含着较多的无序态，随着水分的蒸发，其浓度逐渐上升，丝素蛋白大分子的有序程度逐步增大所致。

图1 25%再生丝素蛋白水溶液的偏光显微镜照片

在蚕腺体内，液晶态的形成更利于天然丝素蛋白溶液通过窄窄的前部腺体和喷丝嘴，许多研究认为剪切是形成液晶态的原因之一[2～4]。因此，考察剪切作用对再生丝素蛋白水溶液光学特性的影响，结果见图2。

图2 不同浓度再生丝素蛋白水溶液剪切后的偏光显微镜照片

未受剪切的再生丝素蛋白水溶液在偏光显微镜下几乎看不到光学各向异性。从图2可以看出，在施加相同程度的剪切作用下，15%的再生丝素蛋白水溶液(图2a)在偏光显微镜下出现微弱的偏光现象，伴随着溶液中丝素蛋白浓度的上升，偏光现象逐渐加强(图2b、2c)。由此说明，在同样的剪切外力作用下，再生丝素蛋白溶液的浓度越高，溶液越容易发生由光学各向同性至各向异性的结构转变。这可能是因为，丝素蛋白分子在剪切作用下，分子内氢键的断裂加速，丝蛋白分子链更趋于有序，沿着剪切方向发生了取向排列，导致溶液呈现出明显的各向异性。

2.2 再生丝素蛋白水溶液的流动性能

考察不同浓度的原始溶液和剪切溶液的流动性能，结果见图3。

从图3可以看出，不同浓度再生丝素蛋白水溶液的流动性具有相同之处：(1)不管是原始溶液还是剪切溶液均在挤出速率约60 mL·h-1左右时渐渐进入平台区，表明当挤出速率超过60 mL·h-1后，单纯提高挤出速率对溶液的流动性影响不大；(2)流出相同质量剪切溶液所需的时间比原始溶液有所缩短。这可能是通过毛细管剪切后溶液的有序性增加，发生部分取向的结果。

图3 不同浓度再生丝素蛋白水溶液剪切前后流出相同质量溶液所需的时间

不同之处则表现为：(1)当浓度较低(如9%)时，在同一挤出速率下原始溶液和剪切溶液的两条曲线基本重合，表明9%再生丝素蛋白水溶液经剪切后流动性能变化不大；(2)随着溶液浓度升高到20%，当挤出速率低于80 mL·h-1时，在同一挤出速率下，原始溶液和剪切溶液的流出时间差距变得明显。而当挤出速率超过80 mL·h-1后，原始溶液和剪切溶液的流出时间差距不明显；(3)当浓度升高到30%时，可看到剪切溶液与原始溶液相比在整个实验范围内流动性能都发生了较为明显的变化。这可能是因为，低浓度的再生丝素蛋白水溶液对剪切不敏感，而随着溶液浓度的升高，溶液对剪切变得敏感，从而造成溶液剪切前后流动性能的不同。

3 结论

(1)经过剪切应力的作用，再生丝素蛋白水溶液的取向明显增加，呈现光学各向异性；且溶液浓度越高，偏光现象越明显。

(2)经过剪切后，再生丝素蛋白水溶液更宜于在“腺体”(毛细管)内流动，且溶液浓度较低时对剪切不敏感，浓度较高时对剪切敏感。

(3)浓度和剪切作用是影响再生丝素蛋白水溶液性质的两个重要因素。

参考文献：

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[3] Kerkam K,Viney C,Kaplan D,et al.Liquid crystallinity of natural silk secretions[J].Nature，1991，349(6310)：596-598.

[4] Magoshi J,Magoshi Y,Nakamura S.Crystallization,liquid crystal,and fiber formation of silk fibroin[J].J Appl Polym Sci,1985，41：187-204.

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[7] Xie F,Zhang H H,Shao H L,et al.Effect of shearing on formation of silk fibers from regenerated.Bombyxmorisilk fibroin aqueous solution[J].Int J Biol Macromol，2006,38(3-5)：284-288.

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