絲素蛋白的結構調控及其構象轉變機理研究.pdf

1、蠶絲由于其出色的力學性能引起人們在基礎及應用研究領域的廣泛關注。然而天然蠶絲以纖維的形式存在，限制了其生物醫(yī)藥等各個領域的應用。需對其進行再生制成具有不同形狀如粉、膜、凝膠等。而再生絲素材料力學性能較差，對其應用極為不利。動物蛋白纖維的研究表明絲素蛋白材料的力學性能與其構象及存在形式密切相關。調控絲素蛋白微觀結構，闡明絲素蛋白構象轉變機理一直是該領域研究的重要課題。本論文主要通過采用二維的無機納米粘土片層和一維的高分子鏈(PEG)對絲素

2、蛋白進行結構調控，闡明了粘土及PEG誘導絲素蛋白構象轉變的微觀機理，同時制備了新型的基于絲素蛋白的生物材料。（一）二維納米粘土片層調控絲素蛋白結構的研究1．用二維的納米粘土片層來對絲素蛋白進行結構調控，探索出了制備絲素蛋白．粘土納米復合材料的新途徑，并研究了粘土片層誘導絲素蛋白構象轉變機理以及復合材料的熱力學和動力學行為。首先用溶液插層的方法成功制備了絲素蛋白-粘土納米復合材料，廣角X-射線衍射(WAXD)和透射電子顯微鏡(TEM)研究

3、表明，當溶液的pH值低于絲素蛋白等電點時所制備的納米復合材料(SF-MMTA)粘土片層在絲素蛋白基質中具有較好的分散性；而在高于絲素蛋白等電點所制各的納米復合材料(SF-MMr)中粘土的分散性較差。質子自旋．晶格馳豫時間實驗結果進一步表明在SF-MMTA納米復合材料中絲素蛋白與粘土片層之間的相互作用較SF-MMTN強。IH CRAMPS和13C CP/MAS研究表明在SF-MMTA納米復合材料中，由于絲素蛋白與粘土之間的強靜電作用，粘土

4、片層能夠有效地誘導絲素蛋白由無規(guī)構象向p-折疊結構發(fā)生轉變：而在SF-MMTN納米復合材料中，由于絲素蛋白與粘土之間弱的離子．偶極作用，絲素蛋白仍保持其無規(guī)構象?；谝陨蠈嶒灲Y果我們提出了絲素蛋白-粘土復合材料中粘土分散和誘導絲素蛋白構象轉變的機理。我們還用常規(guī)DSC及多頻調制DSC(TOPEM)技術進一步對復合材料的熱力學穩(wěn)定性進行了評估，并用玻璃化轉變過程中的有效活化能E）及協(xié)同重排尺寸(εα)表征了絲素蛋白鏈段玻璃化轉變過程中的松

5、弛動力學行為。與純絲素蛋白相比，復合材料的玻璃化轉變溫度向高溫移動，有效活化能顯著提高，同時其協(xié)同重排尺寸(εα)也有明顯提高，有效活化能(E)和協(xié)同重排尺寸的增加表明粘土片層的存在降低了絲素蛋白鏈的運動能力，從而提高了復合材料的物理和化學穩(wěn)定性。
　　 2．對絲素蛋白-粘土復合溶液的流變行為進行了研究，系統(tǒng)考察了pH值、溫度、粘土含量(R=Wc(Wcl礦Ws0)等因素對體系流變行為及組分間相互作用的影響。，結果表明：pH值為2

6、.8時，絲素蛋白與粘土間存在較強的相互作用，復合液粘度增加幅度較大；而pH值為6.4時，絲素蛋白與粘土之間相互作用較弱，粘度增加幅度相對較小。溫度的升高有利于絲素蛋白與粘土顆粒之間的復合，促進締合的發(fā)生，使絲素蛋白與粘土之間的作用得到增強。絲素蛋白．粘土復合液的剪切粘度隨R值的增加先增大后減小，在R值為0.4時，絲素蛋白．粘土復合液的粘度達到最大值，二者之間的締合作用最強。通過對絲素蛋白．粘土復合體系流變行為的測試，可建立起復合體系微觀

7、結構與行為的關系，闡明復合體系凝膠化過程結構演化規(guī)律，從而用來指導設計高性能絲素材料的生產工藝條件。
　　 （二）一維高分子鏈(PEG)調控絲素蛋白結構的研究1.制備了絲素蛋白-PEG共混物，系統(tǒng)研究了溫度、PEG分子量、質量分數以及PEG端基對絲素蛋白構象調控的影響。結果表明; PEG能夠有效地誘導絲素蛋白由無規(guī)構象向β-折疊結構轉變。絲素蛋白構象轉變具有溫度依賴性，在所研究的溫度范圍內(25-70℃)，PEG900誘導絲素蛋

8、白構象轉變效應隨著溫度的增加先增大后減小。絲素蛋白構象轉變對PEG分子量的依賴性較大，PEG分子量越小，誘導構象轉變的能力越大。PEG誘導絲素蛋白向B-折疊結構轉變效應與PEG的含量有關：只有PEG900的含量達到一定值時，才能誘導絲素蛋白形成β-折疊結構的效果達到最佳。另外PEG端基對絲素蛋白構象轉變的影響較小。13C NMR譜和量化計算結果進一步表明，在p．折疊為主的SF-PEG共混物膜中，絲素蛋白的絲氨酸側鏈羥基-OH氫原子可以作

9、為氫鍵給體與聚乙二醇鏈烷氧基或端羥基形成氫鍵作用從而影響絲氨酸CB的化學位移環(huán)境使其向高場移動。根據13C CP/MAS實驗和量化計算結果，闡明了PEG誘導絲素蛋白形成高B-折疊構象轉變的微觀機理。
　　 2．以β-折疊為主的SF-PEG900為例，通過各種固體核磁共振結合DSC實驗研究了共混物體系中的不同組分間的相容性、相分離行為及分子運動信息。研究結果表明SF-PEG共混體系中SF與PEG發(fā)生了微觀相分離，PEG并不是完全從