再生丝素二级结构的研究现状及发展趋势

杨日成，左保齐(苏州大学纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021)

蚕丝是种可再生的自然资源，能够在相对较低的成本下获得，其主要由丝素和丝胶组成，丝素是一种结构蛋白，丝胶是一种水溶性胶跟丝素纤维包裹在一起[1]。丝素纤维由于其优越的机械性能以及良好的光泽效果已经作为纺织材料很长时间了，如今很多研究尝试开发将再生丝素材料作为生物材料[2]，对于生物医学方面的应用，丝素材料具备很多良好的性能，例如与人体细胞具有很好的相容性，高力学强力，比较好的热学稳定性以及抗微生物性[1，3,4]；而且丝素材料应用到人体内几乎无炎性反应[5]，有良好的细胞粘附性和生长能力[6]。研究者已经试图将其做成组织工程支架，手术缝合线，骨膜等等[7-10]。为了使生丝实现这些用途，一般通过脱胶溶解的方式将其再生为丝素溶液，然后通过湿纺或者静电纺的形式形成丝素纤维[11-20]，通过冷冻干燥法获得多孔膜，以及微米，纳米球，凝胶等各种形态[21-24]。目前，已经有许多研究通过控制丝素的二级结构来控制其各项性能，例如丝素降解性，透明性以及其机械性能。

丝素中包含晶区和非晶区，两者交替分布，H链交替穿过结晶区和非结晶区。对于丝素的结晶状态，Shimizu[25]首先提出家蚕丝素的两种结晶形态：α型和β型。之后Kratky[26]证实两种结晶形态的存在，并且指出了α型不是一般蛋白质中的α-螺旋结构。为了区别开，通常把丝素的α型和β型称为silk I和silk II。silk I晶体结构模型是由Lotz[27]提出,另外Ishikawa等[28]也对其进行过研究，其立体构象呈曲柄型，是介于α-螺旋和β-折叠之间的一种中间形态。silk II的晶体结构模型由 Marsh等人[29]根据 X-射线衍射结果提出，是反平行β-折叠层结构，属斜方晶系。Valluzzi等人[30]在丝素溶液与空气界面中发现了silk Ⅲ结构，这种构象比较特殊，呈3-折叠螺旋结构，其晶体结构与聚甘氨酸II相似，属六方晶系。

1 再生丝素二级结构转变的研究现状

1.1 脱胶工艺影响

Khan等人[31]在2009年分别用柠檬酸和皂碱对生丝脱胶，研究发现这两种不同脱胶方法对其二级结构转变几乎无影响，但是使用皂碱脱胶获得的丝素纤维具备更好的机械性能。

研究发现在不同的脱胶体系下形成的丝素材料具备各种不同的结构及性能。2013年王等人[32]通过不同胶体系(碳酸钠，尿素和强碱性电解水)来研究脱胶工艺对丝素蛋白分子结构和性能的影响，研究发现使用碳酸钠溶液对生丝脱胶大大增加了丝素蛋白的silk I结构，因此造成丝素蛋白热稳定性和机械强力的损伤远大于尿素和强碱性电解水。

Cao等人[33]在2013年研究发现相比较碳酸钠对生丝脱胶，虽然使用强碱性电解水脱胶丝素材料二级结构无明显差异，但是获得的丝素材料有更好的拉伸性能和更高的热分解温度。

王等人[34]在2016年分别用碳酸钠，中性皂和烷基糖苷对生丝脱胶发现三种不同脱胶工艺对丝素β-折叠晶体结构没太大影响，但是使用烷基糖苷脱胶的方法获得的结晶度最大。

Liu等人[35]在2016年分别用质量分数为0.5%，0.05%和0.005%的碳酸钠溶液对生丝脱胶，研究发现在相同的溶解体系(溴化锂-甲酸)下形成的纳米纤维毡二级结构都从无规卷曲，α-螺旋转变为β-折叠，但是相比较更高浓度碳酸钠溶液脱胶，低浓度碳酸钠溶液脱胶后的纳米纤维垫具有更好的机械性能。

1.2 溶解体系影响

Um等人[36]在2001年研究发现溶解在甲酸溶剂中的丝素蛋白有β-折叠结构，而溶解在水中的丝素蛋白则无规卷曲结构。

Phillips等人[37]在2004年尝试使用1-丁基-3-甲基咪唑氯盐离子溶液溶解再生丝素蛋白，这种方法形成的再生丝素膜二级结构为β-折叠，实验证实离子溶液可以用来溶解再生丝素蛋白。

Ha等人[38]在2005年研究关于不同丝素溶解方法对其二级结构的影响发现溶解在甲酸溶液中的丝素蛋白分子中有β-折叠现象，但是溶解在TFA(三氟乙酸)溶液中有α-螺旋构象，而且当酸性溶液从丝素蛋白分子中移除时，丝素分子能够自发形成有序结构，而且通过75%的乙醇处理过的再生丝素膜会向β-折叠构象转变。

Sun等人[39]在2010年研究发现水溶性丝素膜经过纯甲酸溶液处理后，其二级结构由无规卷曲和α-螺旋转变为β-折叠，提高了丝素膜的不溶性。

Ming等人[40]在2013年使用FA/HAP(甲酸/羟基磷灰石)溶解脱胶后的蚕丝发现成膜后的再生丝素膜为silk II结构，当改变HAP含量时，再生丝素膜silk II结构不发生改变；而且靠FA/HAP溶解方法得到的再生丝素材料具备更好的机械强力。

周等人[41]在2014年研究成膜三元反应系统(CaCl2/H2O/C2H5OH)中乙醇含量对其二级结构的影响；研究发现当乙醇含量减少时，其二级结构中的无规卷曲和α-螺旋转变为β-折叠，提高丝素膜的不溶性，这对药物输送过程中释放药物具有很大意义。

1.3 不同制备条件影响(温度湿度 pH值等)

周等人[42]于2004年研究pH值对丝素溶液构象的影响发现pH值为5.2的酸性溶液有利于蚕丝丝素蛋白从silk I向silk II构象转变，而中性与碱性溶液(pH=6.9和8.0)则对丝素蛋白构象转变无明显影响。

吕等人[43]在2009年对丝素膜作出研究发现不溶于水的丝素膜可以通过丝素溶液缓慢干燥的方法来获取，其主要结构是silk I而不是silk II。

Kweon等人[44]在2011年研究在不同丝素溶液浓度和温度条件下制备丝素膜，然后测试丝素膜的溶解性和构象。研究发现在当丝素溶液浓度为3.4%，制备温度为60℃时制备的丝素膜β-折叠构象含量显著增加，因此在1×PBS(温度为37℃)下1h是不溶且膜透明。

李等人[45]于2013年采用偶氮盐法进行修饰获得磺酸化丝素蛋白，经有机醇溶剂处理后，二级结构中的无规卷曲转变成silkⅠ型的α-型，然后转变成较稳定的 silk Ⅱ型的β-折叠，且在不同溶剂中无规卷曲和α-型间可相互转化。

明等人[46]于2014年研究发现通过改变环境温湿度等影响因素来调控SF溶液的干燥速率成功制备SF的silk I构象；而且发现溶液浓度以及干燥速率均会影响silk I构象的形成，silk I构象膜的性能研究结果表明材料断面有大量的纳米纤维存在，可在相对较低的温度条件(5或-20℃)下长期保持silk I构象，而且silk I构象膜在干态下表现出良好的力学性能。

钟等人[47]在2014年研究发现再生丝素蛋白溶液在一个相对较低的浓度 (15μg/mL和60μg/mL)下通过控制其干燥温度能够改变其二级结构和形态，随着干燥温度增加，会加速丝素蛋白反平行β-折叠含量集聚和增加。而且减少其无规卷曲结构的形成。

卢等人[48-49]用离心的方法制得的丝素膜以silkⅡ结晶结构为主。

1.4 后处理影响

Magoshi等人[50]在1977年研究了温度对丝素蛋白膜构象转变的影响，发现由丝素蛋白稀溶液在室温下制备的膜呈无规线团构象。当把膜样品加热到180℃时，红外吸收光谱表明有β-折叠结构的形成，而且即使将温度升至 230℃,无规线团构象依然存在。

汪宜宇[51]在1979年研究了各种有机溶剂处理对丝素膜结构的影响，指出使用具有脱水作用的溶剂处理能够导致silkⅡ结晶结构的形成。

石和王等人[48,52]分别在1983年和1985年研究将再生丝素膜加热到190℃和270℃以上，发现丝素的二级结构会发生从无定形向silkⅡ结晶结构或从silkⅠ向silkⅡ结晶结构的转变。

吴等人[53]在1993年研究将再生丝素膜在蒸汽中加热，实验结果显示出在 120℃(饱和蒸汽压=2个大气压)汽蒸半小时丝素会发生无定形向silkⅡ结晶结构转变，在150℃(饱和蒸汽压=5个大气压)汽蒸半小时丝素会发生silkⅠ向silkⅡ结晶结构的转变。

对于使用甲醇处理，与Tsukada等人[54]在1994年研究发现关于浓度为 60%～100%的甲醇会明显影响再生丝素膜的结构，从而出现大量β-折叠结构的结果相似，Taketani等人[55]在2005年研究也表明，甲醇的作用会使再生丝素膜的二级结构发生从无规卷曲向β-折叠结构转变。Yoshimizu等人[56]和 Tsukada等人[57]分别在1990年和1994年也进行了类似的研究并得出相似的结论。

Freddi等人[58]在1996年研究发现热处理能诱导丝素膜构象转变，从200℃加热到250℃，丝素膜构象逐渐从α-螺旋转变为β-折叠。

左等人[59]在2006年用不同的丝素溶液凝固试剂分别研究对再生丝素蛋白的结构和性能的影响，发现甲醇/乙醇对其结构和性能的影响可忽略不计，但相比甲醇，使用乙醇能大大提高丝素材料生物降解性。

魏等人[60]在2011年研究后处理剂以及后处理方法在干法纺丝过程中对再生丝素纤维二级结构的影响发现经过乙醇/水系统后处理过的纤维中有α-螺旋和无规卷曲构象向β-折叠结构的转变，从而大大提高了纤维的断裂强力和断裂伸长率。

1.5 添加材料对丝素膜结构影响

张等人[61]在2002年研究发现加入一定浓度稀土金属离子的丝素膜中，稀土金属离子可以和丝素分子之间存在着配位作用，使丝素分子β化，聚集态结构排列紧密，结晶程度提高。

卢等人[62]在2003年研究发现加入聚乙二醇缩水甘油醚后丝素膜的结晶度下降，基本为无定形结构，只有少量的silk II结构。

宗等人[63]在2005年研究了家蚕丝素水溶液中金属铜离子对丝素蛋白构象的影响，认为一定量铜离子的引入有利于丝素蛋白分子链从无规卷曲向β-折叠构象的转变，然而铜离子的进一步增加反而会抑制β-折叠构象的形成。同时研究结果还表明，铜离子对丝素蛋白构象的影响遵循“成核依赖性”机理。

周等人[64]在2006年将丝素溶液与铜离子溶液混合后制备丝素膜，指出随着铜离子的加入，丝素膜的二级结构由无规卷曲向β-折叠结构转变。

Tsuchiya等人[65]在2016年研究在丝素溶液中混合T-polyA(多爪型聚丙氨酸)，由于T-polyA与丝素溶液易于混合，混合液透明且T-polyA具有反平行的β-折叠结构使丝素复合膜的β-折叠结构含量增加。

2 再生丝素研究的发展方向

如今，生物材料广泛应用于医学领域，对于开发利用再生丝素材料不同性能的研究也在不断发展中，再生丝素材料的各项性能，比如物理机械性能，可溶性，热学性能和生物降解性能等均受到其二级结构的影响，二级结构对丝素材料起着至关重要的作用.为了使再生丝素材料更好地运用到医学领域，研究方向也将会更临床化，更好的满足各种要求，再生丝素材料的研究方向将来会从以下几个方面发展：

(1)由上述研究表明，再生丝素材料的二级结构收到很多制备条件的影响，在应用于医学例如耳膜的修复中时，我们可以通过缓慢干燥，调节制备的丝素浓度及温度来生产不溶性，透明度高的丝素膜来满足患者的要求。

(2)在之前的再生丝素材料研究中,我们很少关注在实际生产时在丝素中添加丝胶来控制成膜的二级结构，在今后，我们可以在丝素中混入适量的丝胶来提高其β-折叠的含量来控制成膜的降解性以及热学性能。

(3)随着生活水平的不断提高，大家对绿色环保的要求也越来越高，以后，我们可以通过绿色环保的制备条件来生产丝素膜，而且使其具备更高的silk I结构来提高其生物降解性。

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