丝素蛋白的结构调控及其构象转变机理研究

摘要

蚕丝由于其出色的力学性能引起人们在基础及应用研究领域的广泛关注。然而天然蚕丝以纤维的形式存在，限制了其生物医药等各个领域的应用。需对其进行再生制成具有不同形状如粉、膜、凝胶等。而再生丝素材料力学性能较差，对其应用极为不利。动物蛋白纤维的研究表明丝素蛋白材料的力学性能与其构象及存在形式密切相关。调控丝素蛋白微观结构，阐明丝素蛋白构象转变机理一直是该领域研究的重要课题。本论文主要通过采用二维的无机纳米粘土片层和一维的高分子链(PEG)对丝素蛋白进行结构调控，阐明了粘土及PEG诱导丝素蛋白构象转变的微观机理，同时制备了新型的基于丝素蛋白的生物材料。（一）二维纳米粘土片层调控丝素蛋白结构的研究1．用二维的纳米粘土片层来对丝素蛋白进行结构调控，探索出了制备丝素蛋白．粘土纳米复合材料的新途径，并研究了粘土片层诱导丝素蛋白构象转变机理以及复合材料的热力学和动力学行为。首先用溶液插层的方法成功制备了丝素蛋白-粘土纳米复合材料，广角X-射线衍射(WAXD)和透射电子显微镜(TEM)研究表明，当溶液的pH值低于丝素蛋白等电点时所制备的纳米复合材料(SF-MMTA)粘土片层在丝素蛋白基质中具有较好的分散性；而在高于丝素蛋白等电点所制各的纳米复合材料(SF-MMr)中粘土的分散性较差。质子自旋．晶格驰豫时间实验结果进一步表明在SF-MMTA纳米复合材料中丝素蛋白与粘土片层之间的相互作用较SF-MMTN强。IH CRAMPS和13C CP/MAS研究表明在SF-MMTA纳米复合材料中，由于丝素蛋白与粘土之间的强静电作用，粘土片层能够有效地诱导丝素蛋白由无规构象向p-折叠结构发生转变：而在SF-MMTN纳米复合材料中，由于丝素蛋白与粘土之间弱的离子．偶极作用，丝素蛋白仍保持其无规构象。基于以上实验结果我们提出了丝素蛋白-粘土复合材料中粘土分散和诱导丝素蛋白构象转变的机理。我们还用常规DSC及多频调制DSC(TOPEM)技术进一步对复合材料的热力学稳定性进行了评估，并用玻璃化转变过程中的有效活化能E）及协同重排尺寸(εα)表征了丝素蛋白链段玻璃化转变过程中的松弛动力学行为。与纯丝素蛋白相比，复合材料的玻璃化转变温度向高温移动，有效活化能显著提高，同时其协同重排尺寸(εα)也有明显提高，有效活化能(E)和协同重排尺寸的增加表明粘土片层的存在降低了丝素蛋白链的运动能力，从而提高了复合材料的物理和化学稳定性。
　　 2．对丝素蛋白-粘土复合溶液的流变行为进行了研究，系统考察了pH值、温度、粘土含量(R=Wc(Wcl矿Ws0)等因素对体系流变行为及组分间相互作用的影响。，结果表明：pH值为2.8时，丝素蛋白与粘土间存在较强的相互作用，复合液粘度增加幅度较大；而pH值为6.4时，丝素蛋白与粘土之间相互作用较弱，粘度增加幅度相对较小。温度的升高有利于丝素蛋白与粘土颗粒之间的复合，促进缔合的发生，使丝素蛋白与粘土之间的作用得到增强。丝素蛋白．粘土复合液的剪切粘度随R值的增加先增大后减小，在R值为0.4时，丝素蛋白．粘土复合液的粘度达到最大值，二者之间的缔合作用最强。通过对丝素蛋白．粘土复合体系流变行为的测试，可建立起复合体系微观结构与行为的关系，阐明复合体系凝胶化过程结构演化规律，从而用来指导设计高性能丝素材料的生产工艺条件。
　　 （二）一维高分子链(PEG)调控丝素蛋白结构的研究1.制备了丝素蛋白-PEG共混物，系统研究了温度、PEG分子量、质量分数以及PEG端基对丝素蛋白构象调控的影响。结果表明; PEG能够有效地诱导丝素蛋白由无规构象向β-折叠结构转变。丝素蛋白构象转变具有温度依赖性，在所研究的温度范围内(25-70℃)，PEG900诱导丝素蛋白构象转变效应随着温度的增加先增大后减小。丝素蛋白构象转变对PEG分子量的依赖性较大，PEG分子量越小，诱导构象转变的能力越大。PEG诱导丝素蛋白向B-折叠结构转变效应与PEG的含量有关：只有PEG900的含量达到一定值时，才能诱导丝素蛋白形成β-折叠结构的效果达到最佳。另外PEG端基对丝素蛋白构象转变的影响较小。13C NMR谱和量化计算结果进一步表明，在p．折叠为主的SF-PEG共混物膜中，丝素蛋白的丝氨酸侧链羟基-OH氢原子可以作为氢键给体与聚乙二醇链烷氧基或端羟基形成氢键作用从而影响丝氨酸CB的化学位移环境使其向高场移动。根据13C CP/MAS实验和量化计算结果，阐明了PEG诱导丝素蛋白形成高B-折叠构象转变的微观机理。
　　 2．以β-折叠为主的SF-PEG900为例，通过各种固体核磁共振结合DSC实验研究了共混物体系中的不同组分间的相容性、相分离行为及分子运动信息。研究结果表明SF-PEG共混体系中SF与PEG发生了微观相分离，PEG并不是完全从分子水平上互容于丝素蛋白网络中，有一部分存在于界面相中，而其它的PEG则形成单独的分散相。SF与PEG分子运动差别明显，PEG链的运动性较快，而丝素蛋白则很刚性。