丝素蛋白纳米纤维的研究进展

刘 彤，闫晓静，陈 超

（1.苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021；2.现代丝绸国家工程实验室，江苏 苏州 215021）

1 蚕丝的结构

随着对蚕丝的研究不断深入，业内学者对蚕丝的结构和组成产生了新的认识，图1为Wang等[1]提出的蚕丝层级结构模型。生活中常用的生丝是由多根蚕丝缫丝而成，蚕丝是由两根截面为三角形、直径为12~20 μm的单丝外包丝胶粘合而成，而单丝具有更复杂的层级结构。从形貌上看，单丝由多根具有取向性的纳米纤维组成，纳米纤维在定向与扭曲的过程中会使纤维间产生剧烈的摩擦，极大地提高了蚕丝的力学强度。

图1 蚕丝的层级结构

在分子尺度上，蚕丝是由重链蛋白（Fib-H）、轻链蛋白（Fib-L）和糖蛋白（P25）以6∶6∶1的比例组成的蛋白复合体，其中，95%为H链，全长大约有5 263个氨基酸，分子量为390 kD。核心区域是高度重复的氨基酸序列，由亲水（GAGAGY）和疏水（GAGAGS）片段交替组成，两端是由无规卷曲结构组成的N末端和C末端。在自然纺丝阶段，亲水区域为无规卷曲或者α-螺旋结构，而疏水区域通过挤出和剪切作用转变成高度有序的β-折叠结构，这些非晶结构（无规卷曲或α-螺旋）和纳米晶体（β-折叠）被组装成直径约3 nm的纤维，然后捆绑成直径为20~100 nm的纳米纤维，最后组装成直径约10 μm的单丝纤维。

2 丝素蛋白纳米纤维的研究现状

相对于普通材料，具有一些特殊性质的纳米纤维具有更大的优势，可通过直接利用、复合活性单元、化学改性等方法制备出纳米纤维薄膜、水凝胶、多孔支架等组织工程用材料。

蚕丝本身具有卓越的力学性能，但是，由再生丝素蛋白制备的材料力学性能有所下降，这是破坏了蚕丝纤维原本的复杂层级结构所导致的。在现有的研究中，丝素蛋白纳米纤维的制备主要分为“自下而上”和“自上而下”两种方式。所谓的“自下而上”，是通过将蚕丝溶解成丝素蛋白分子，然后将其聚集成束或者组装成纳米纤维，结晶态以Silk Ⅰ结构为主；而“自上而下”是从蚕丝中直接剥离出纳米纤维，保留了蚕丝原本的结晶结构，而不是溶解成丝素蛋白分子，结晶态以Silk Ⅱ结构为主。采用以上两种方式制备的丝素蛋白纳米纤维在结构上有很大区别。

2.1 “自下而上”制备丝素蛋白纳米纤维

“自下而上”制备丝素蛋白纳米纤维主要有两种方式，分别是静电纺丝和自组装。（1）静电纺丝过程：将蚕丝制备成再生丝素蛋白溶液，再经过高压静电纺丝成纳米纤维，主要原理是使溶液带电，在喷丝口形成Taylor锥，针头在电场力下产生喷射细流，经过分裂、拉伸，最后聚集在收集板上。然而，静电纺丝对溶液以及溶剂的要求较高，单纯的丝素蛋白水溶液很难达到纺丝要求，而且纺丝效果较差，通常使用甲酸、六氟异丙醇等有毒试剂作为静电纺丝溶剂，并且获得的丝素蛋白纳米纤维存在连续性差、串珠、尺寸不均匀等缺点。（2）自组装过程是指基本结构单元通过非共价键相互作用自发形成的一类结构明确、稳定、具有某种特殊功能或性能的超分子结构或分子聚集体的过程。自组装制备丝素蛋白纳米纤维的过程：缓慢干燥再生丝素蛋白溶液，丝素蛋白与结合水之间的相互作用增加，在浓缩丝溶液中不添加其他添加剂的情况下，胶束易聚集为纳米纤维。但是，自组装的丝素蛋白纳米纤维长度较短、长径比不高且不稳定，容易形成凝胶。

2.2 “自上而下”制备丝素蛋白纳米纤维

由于天然蚕丝具有复杂的层级结构，可以从中直接剥离出纳米纤维，但目前仍存在产率低、制备工艺有缺陷等问题。图2为各研究者“自上而下”剥离出的丝素蛋白纳米纤维形貌图。

Zhao等[2]通过单纯的机械超声处理，从蜘蛛丝、蚕丝中分离出直径为25~100 nm的纳米纤维[图2（A）]。超声过程中微泡的形成、生长、破裂、猛烈的塌陷等产生的作用力在纤维表面引发微射和冲击波，导致纤维表面的刻蚀沿着轴向分裂。

Zhang等[3]采用甲酸-氯化钙（FA-CaCl2）部分溶解蚕丝，制备出直径为20~200 nm的丝素蛋白纳米纤维[图2（B）]。甲酸的强极性离子使水分子渗透到纤维内部，可降低分子间相互作用力，有利于Ca2+与丝素大分子链中的丝氨酸、酪氨酸等发生络合作用，破坏分子间的氢键，进而将蚕丝分解成纳米纤维，而不是丝素蛋白分子。

Ling等[4]从石墨的液体剥离中获得灵感，使用六氟异丙醇和超声处理剥离出直径为20 nm、长度为300~500 nm的纳米纤维[图2（C）]，但是使用的试剂（六氟异丙醇）有毒、价格昂贵且产率较低，不适合大规模和生物医用材料的应用。

Liang等[5]通过调控脱胶条件、研磨和均质过程中的剪切力来控制纤维的原纤化程度[图2（D）]，并进一步制备出力学性能优异、吸水性好、生物相容性强的纳米纤维纸。

Wang等[6]采用三元溶剂（CaCl2、CH3CH2OH、H2O）部分溶解的方法，从蚕丝中剥离出直径为280 nm、长度为10~30 μm的丝素蛋白纳米纤维[图2（E）]，并将其与碳纳米管混合制备出高柔性的复合薄膜，表现出优异的力学性能和电学特性。

Niu等[7]将脱胶丝溶解在NaOH/尿素的混合溶液中，并在低温下剥离出包含单个β-折叠层和无定形链的较薄（直径为30 nm）丝素蛋白纳米带[图2（F）]，最后将纳米带制备成高透光率的柔性纳米纤维薄膜，同时提出蚕丝的层级结构模型。

图2 “自上而下”剥离的丝素蛋白纳米纤维形貌

3 展望

如果能找到一种具有高效率的“自上而下”方式，从蚕丝中剥离出产率高、长径比高、力学性能优异的纳米纤维，能为丝素蛋白材料产品开发提供理论方法和实验技术指导。