中國(guó)是天然蠶繭的故鄉(xiāng)，又是繅絲術(shù)的發(fā)源地，發(fā)現(xiàn)并使用蠶絲已近有5000 年的歷史。蠶絲是一種具有優(yōu)良特性的天然蛋白質(zhì)纖維，它具有獨(dú)特的光澤、懸 垂性、手感等而成為一種“高雅”的紡織纖維，素有“纖維皇后”的美譽(yù)。但在 繅絲、絹紡生產(chǎn)及絲綢服裝的裁剪過(guò)程中，約有占蠶絲總量三分之一的下腳絲未 能充分利用而廢棄，令人痛惜。早在50年代初，國(guó)外即開(kāi)始了“利用蠶絲下腳 料紡制纖維”的研究，我國(guó)則起步較晚。近年來(lái)，隨著合成纖維工業(yè)的發(fā)展，由 于蠶絲的實(shí)用性能和功能性不如合成纖維而已逐漸失去了往日的光彩⑴。因?yàn)樾Q 絲是由蛋白質(zhì)組成的纖維，所以它除了可織成織物做服裝外，還可以用在非紡織 領(lǐng)域。蠶絲中含有的絲素引起眾多研究人員的注意，隨著對(duì)絲素的研究不斷深 入，絲素的各種應(yīng)用不斷出現(xiàn)。本章對(duì)絲素的結(jié)構(gòu)組成、結(jié)晶結(jié)構(gòu)作重點(diǎn)介紹， 并概括絲素的改性研究、生物相容性和主要應(yīng)用前景。在本篇論文中還簡(jiǎn)述了用 來(lái)改性絲素蛋白的羧甲基纖維素鈉，進(jìn)—步闡述了它們反應(yīng)的機(jī)理。

1.1絲素的組成、結(jié)構(gòu)和變性研究

LU蠶絲的組成

蠶絲是由絲素及絲膠組成，兩根極細(xì)的絲素纖維相互膠合在一起再由絲膠包 裹起來(lái)。蠶絲中絲素的含量可達(dá)70%-80%，絲膠大約占到30%-20%，此外，還

含有極少量的蠟質(zhì)、碳水化合物、色素和灰分[2'3】。絲膠蛋白主要由甘氨酸、絲 氨酸、天冬氨酸和蘇氨酸分子組成。絲膠蛋白的分子量較低且范圍變化大，大部 分是無(wú)規(guī)線團(tuán)狀非結(jié)晶的球狀蛋白質(zhì)，只有一小部分是定向結(jié)晶結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。 同時(shí)在絲膠中，含有很多的極性氨基酸，這些極性氨基酸極易溶于水，所以一般 在對(duì)絲素改性前要對(duì)蠶絲進(jìn)行脫膠處理。

絲素是由18種氨基酸以一定的順序由肽鍵相連而成，其中甘氨酸（Gly)、 丙氨酸（Ala)、絲氨酸（SCT)、酪氨酸（Tyr)為主要成分，約占?xì)饣峥偭康?80%。由這些氨基酸相連而成的鏈段，大多位于絲素的結(jié)晶區(qū)。在結(jié)晶區(qū)中，由 于鏈的側(cè)基比較小（分別是：-H、-CH3、-CH3OH)，所以性質(zhì)比較穩(wěn)定。絲素 在非結(jié)晶區(qū)中，除了上面所說(shuō)的側(cè)基較小的氨基酸還含有側(cè)基較大的氨基酸，如 苯丙氨酸（Phe)、酪氨酸（Tyr)和色氨酸（Trp)等，且由這些氨基酸組成的蛋 白質(zhì)肽鏈排列較為疏松、結(jié)構(gòu)規(guī)整性差，因此性能穩(wěn)定性較差

1.1,2絲素肽鏈構(gòu)象和結(jié)晶結(jié)構(gòu)

蠶絲結(jié)構(gòu)的研究始于1913年，由Nishikwa和Vno提出t5]，而對(duì)于其結(jié)晶結(jié) 構(gòu)的研究在1955年由Marshetal•提出【6]。絲素蛋白質(zhì)分子肽鏈構(gòu)象有三種，即無(wú) 規(guī)線團(tuán)結(jié)構(gòu)、a-螺旋結(jié)構(gòu)和p-折疊鏈結(jié)構(gòu)

(a)無(wú)規(guī)線團(tuán)結(jié)構(gòu)

溶解后的絲素蛋白主要以無(wú)規(guī)卷曲形式存在。這也是初生絲素典型的無(wú)規(guī)卷 曲結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得絲素的結(jié)晶度低而易溶于水、機(jī)械性能差，使初生絲的實(shí)

際應(yīng)用價(jià)值低。

螺旋結(jié)構(gòu)

a-螺旋結(jié)構(gòu)是Pauling和Lorey等[8]于1951年，研究羊毛、馬髪、豬毛、鳥(niǎo) 毛等(X-角蛋白時(shí)提出來(lái)的。在這種結(jié)構(gòu)中每隔3-6個(gè)氨基酸殘基，螺旋上升一 圈，在螺旋體中氨基酸基側(cè)鏈伸向夕卜側(cè)，相鄰的螺旋圈之間形成鏈內(nèi)氫鍵，氫鍵 的取向幾乎與中心軸平行。氫鍵是由肽鍵中電負(fù)性很強(qiáng)的氮原子上的氫和它后面

的第四個(gè)氨基酸殘基的羰基氧原子之間形成的。 

這種蛋白結(jié)構(gòu)也是由Pauling等18】人提出的，它是一種肽鏈相當(dāng)伸展的結(jié)構(gòu)。 在這種結(jié)構(gòu)中肽鏈按層排列，它依靠相鄰的肽鏈上的>00與^-H形成的氫鍵維 持其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。當(dāng)•角蛋白用熱水和稀堿等方法處理或用外力拉直，a■角蛋 白就轉(zhuǎn)變?yōu)镻-角蛋白。a-螺旋被拉長(zhǎng)伸展幵來(lái)，氮鍵被破壞從而形成卜折疊的空 間結(jié)構(gòu)。

U.3蠶絲的結(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)

蠶絲的肽鏈堆砌排列形成絲素的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，在這些聚集態(tài)結(jié)構(gòu)中包括兩種

晶體結(jié)構(gòu)清水正德首先發(fā)現(xiàn)桑蠶 絲中有兩種結(jié)晶形態(tài)：a型和P型。 Kiathy證實(shí)了這兩種結(jié)晶形態(tài)的存在。 為了區(qū)別于分子鏈構(gòu)象，Krathy將這兩 種結(jié)晶稱為si】kl型和silk 11型。平林 等認(rèn)為silkI型的晶體結(jié)構(gòu)中，分子鏈 是按心螺旋構(gòu)象和卜平行折疊構(gòu)象交替 堆積而成的，其晶胞屬于正交晶系，其 晶胞參數(shù)為 人 b=7,2G A，c=9.0S A。Marsh等認(rèn)為silk II型晶體結(jié)構(gòu) 中，絲素肽鏈?zhǔn)前磒-反平行折疊構(gòu)象形 成的層狀結(jié)構(gòu)，其晶胞屬于單斜晶系， 其晶胞參數(shù)為：a=9.44 A，b=6,97 A，

這些分子鏈的構(gòu)象

與晶型結(jié)構(gòu)決定了絲素的物理力學(xué)性能。

在絲素中，結(jié)晶部分占50%，60%^7許多學(xué)者對(duì)其結(jié)構(gòu)中的序列結(jié)構(gòu)逬行 了探討，并基于一系列的模型化合物提出了一些序列結(jié)構(gòu)[131。桑蠶絲中，silk II 型結(jié)晶結(jié)構(gòu)中重復(fù)單元可用“丙氨酸-甘氨酸”交替序列結(jié)構(gòu)模擬。在這種化學(xué)組 成重復(fù)單元中，多肽鏈在紙面上下相連。由于形成了 2,對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，因此，丙氨 酸出現(xiàn)在主鏈?側(cè)，甘氨酸則出現(xiàn)在主鏈的另一側(cè)。分子鏈作反向平行并列 在a軸方向由氫鍵相連，形成和a軸相平行的片（反向平行折疊片狀結(jié)構(gòu)）（見(jiàn) 圖1)。

在絲素蛋白結(jié)構(gòu)中，silk II型結(jié)晶結(jié)構(gòu)是熱力學(xué)最穩(wěn)定的。silkl型結(jié)晶結(jié)構(gòu) 是不穩(wěn)定的，在剪切作用、熱處理或極性溶劑等作用下，會(huì)變?yōu)闊崃W(xué)穩(wěn)定的 silk II型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，所以可從同型的(Ab-Gly)ttU的結(jié)晶結(jié)構(gòu)來(lái)推測(cè)silkl型的結(jié) 構(gòu)。Lotz和Keith[KKU &15】提出了分子鏈模型。在這個(gè)模型中，整個(gè)分子鏈呈曲 軸型，分子鏈的重復(fù)單元是二肽，其中丙氨酸呈P-平行折疊結(jié)構(gòu)，大致與纖維軸 平行，甘氨酸呈a-嫘旋結(jié)構(gòu)，大致與纖維軸垂直。a-嫘旋部分的結(jié)構(gòu)可左旋或右 旋，所以整個(gè)鏈就有P丙，a L•甘(圖2a)和p丙-a R-甘(圖2b)的兩種類型。分子鏈 之間再通過(guò)氫鍵作用相互連在一起，當(dāng)ex-螺旋部分伸展幵來(lái)，氫鍵被破壞而形成 (3-折疊的空間構(gòu)象時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了 silkl型結(jié)晶結(jié)構(gòu)向SUk 型的結(jié)晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。

1丄4絲素膜物理機(jī)械性能和絲素蛋白變性研究

基于絲素蛋白結(jié)構(gòu)的研究，人們對(duì)純絲素膜的物理機(jī)械性能己作了大量研 究，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，純的絲素膜的物理性能與所選甩的蠶絲來(lái)源、膜的制備條 件，測(cè)試條件有關(guān)。王朝霞等[t6】研究的純絲素膜的拉伸強(qiáng)度為39.5 MPa、伸長(zhǎng)率 為15%、含水率為8%;李明忠等[171研究的純絲素膜的斷裂強(qiáng)度為2(H3 MPa、斷 裂伸長(zhǎng)率為60.2%、含水率為15%;日本學(xué)者^(guò)1研究的純絲素膜的拉伸強(qiáng)度n MPa、伸長(zhǎng)率為16.5%、含水率9.5%。從這些結(jié)果來(lái)看，純絲素膜的力學(xué)性能不 是很好，所以對(duì)其改性也是必要的。

蛋白質(zhì)的變性以引起蛋白質(zhì)肽鏈的構(gòu)象發(fā)生變化，從而影響性能，所以對(duì) 蠶絲蛋白的變性研究是一個(gè)重要內(nèi)容。對(duì)于蛋白質(zhì)的變性可分為可逆變性和不可 逆變性兩類11'本世紀(jì)三十年代起至今，對(duì)蛋白質(zhì)的變性己經(jīng)做了大量的研究， 認(rèn)為引起蛋白質(zhì)天然結(jié)構(gòu)的變化而不涉及肽鏈斷裂的任何過(guò)程都叫做蛋白質(zhì)的變 性。吳憲在1931年提出了蛋白質(zhì)變性理論，認(rèn)為蛋白質(zhì)變性后，其肽鏈由原來(lái) 緊密有序的構(gòu)象變成松散無(wú)序的構(gòu)象。引起蛋白質(zhì)構(gòu)象變化的因素很多，包括溫 度、PH和有機(jī)溶劑等；蛋白質(zhì)在50-60C的溶液中經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，會(huì)發(fā)生變性；

大多數(shù)蛋白質(zhì)僅在PH4-10的范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，超過(guò)這個(gè)范圍就會(huì)發(fā)生變性；形 成變性的有機(jī)溶劑包括有機(jī)酸堿、醇酰胺等大量研究者通過(guò)各神方法來(lái)實(shí)現(xiàn) 蛋白質(zhì)的變性，并對(duì)其力學(xué)性能、生物相溶性和藥物釋放功能進(jìn)行研究，例如通 過(guò)降溫、PH的調(diào)節(jié)來(lái)制的凝膠實(shí)現(xiàn)變性22'241等等d

1.2絲素蛋白的改性研究 1.2.1對(duì)絲素接枝反應(yīng)研究

絲素纖維上的絲氨酸的醇羥基、酪氨酸中的釀?shì)p基、賴氨酸的氨基、組氨酸 的咪唑基、天門(mén)冬氨酸及谷氨酸的竣基等都具有活潑氫。在引發(fā)劑的作用下絲素 纖維上生成大分子自由基，進(jìn)而引發(fā)一些含乙烯基類單體，得到蠶絲的接枝共聚 物。通過(guò)接枝改性可以改善絲素纖維的性能，如吸水性、抗皺性等◊研究較多的 有甲基丙烯酸甲酯t25]，其次是苯乙烯^]、丙烯酰胺[271、甲基丙烯酸羥乙酯P8], 日本、印度、前蘇聯(lián)等國(guó)對(duì)此已進(jìn)行了廣泛的研究。在20世紀(jì)70年代，美國(guó)、閂 本和前蘇聯(lián)對(duì)絲素與丙烯腈接枝纖維制備及其特性有許多報(bào)道,也有專利發(fā)布，如 前蘇聯(lián)1976年的《化學(xué)纖維》報(bào)道[29];海部博儀用丙烯腈對(duì)蠶絲進(jìn)行改性得到 diinon 產(chǎn)品。

1.2.2共混改性絲素蛋白膜研究

蠶絲之所以能被廣泛的開(kāi)發(fā)其新用途是因?yàn)樾Q絲的絲素蛋白質(zhì)能被溶解在某 些高濃度的中性鹽（如溴化鉀，氯化例）溶液中。將這種含有中性鹽的絲素蛋白 溶液經(jīng)透析材料透析后，可去除其中的中性鹽，制得純度較高的絲素蛋白水溶 液。利用這種絲素水溶液，經(jīng)適當(dāng)處理可以制得具有不同形狀和不同用途的絲素 新材料，如絲素粉、絲素膜、再生絲纖維、絲素凝膠等：這些新材料再經(jīng)加工處 理，便可應(yīng)用于醫(yī)藥、輕工、日用化工、生物化學(xué)和食品等領(lǐng)域。在這些研究 中，絲素膜的研究比較多。雖然絲素膜具有良好的透明性、柔韌性、透水、透氣 性適中等性能，但是純絲素溶液在制作成成品后力學(xué)性能不佳，在干燥狀態(tài)下 很脆，缺乏實(shí)用價(jià)值。所以對(duì)絲素膜性能的深入研究是?個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。

材料結(jié)構(gòu)決定材料的性能。絲素的結(jié)晶性和P-結(jié)構(gòu)是影響絲素膜性能的最重 要因素，結(jié)晶性和P-結(jié)構(gòu)的提高可使膜的脆性增加。因此人們對(duì)絲素進(jìn)行化學(xué)、 物理改性時(shí)，不僅改變絲素聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也改變絲素分子鏈構(gòu)象；通常也會(huì) 增加晶體結(jié)構(gòu)的含量。絲素膜的改性主要有兩種途徑：一種是將絲素溶液與其它 髙分子材料溶液進(jìn)行共混改性處理，然后制成膜；另一種方法是先將絲素溶液制 成膜，然后對(duì)薄膜進(jìn)行物理化學(xué)改性處理，例如：應(yīng)力作用、熱處理、水合作 用、有機(jī)溶劑處理等。

V2.2.1絲素蛋白膜改性研究

在絲素蛋白膜的改性中，共混改性是一種簡(jiǎn)便的方法。通過(guò)混入的大分子與 絲素肽鏈之間形成氫鍵和其他作用力，可有效地改善絲素共混膜的各方面性能。 絲素蛋白中氫鍵的改變可使絲素分子鏈構(gòu)象改變，從而最終改變結(jié)晶態(tài)，直接有 效地改善絲素膜的物理力學(xué)性能。已報(bào)道聚合物改性絲素體系有絲素Z羧甲基還原 角蛋白、絲素/殼聚糖、絲素/海藻酸鈉和絲素/聚乙烯吡咯烷酮（PVP)等。

Lee等[川用DSC研究了絲素蛋白/駿甲基還原角蛋白共混膜吸水情況，從而 間接調(diào)查了共混膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)。加入羧甲基還原角蛋白后，絲素鏈的結(jié)構(gòu)由無(wú)規(guī)線 團(tuán)向(3-折疊鏈轉(zhuǎn)變，并最終形成結(jié)晶態(tài)，從而使共混膜內(nèi)結(jié)合水分子的數(shù)量降 低。其DSC研究得出，當(dāng)共混膜中絲素蛋白與羧甲基還原角蛋白比例為〖：1 時(shí)，其絲素鏈二級(jí)結(jié)構(gòu)變化程度最大。

Park[32】用IR光譜研究了絲素加入殼聚糖后引起的結(jié)構(gòu)變化。在該體系中， 共混膜的結(jié)晶度及密度增加，這意味著絲素肽鏈由無(wú)規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)向P-折疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn) 變。當(dāng)殼聚糖含量為30%時(shí)，共混膜的結(jié)晶度和密度最大，混合膜的力學(xué)性能最 優(yōu)。陳新等[33]的研究也證實(shí)：絲素/殼聚糖共混膜中，兩種聚合物之間形成了新 的分子間氫鍵，并引起絲素鏈構(gòu)象的變化；在FT-說(shuō)圖譜中對(duì)應(yīng)P-折疊結(jié)構(gòu)的特 征吸收峰 1630«11-1(酰胺1)、1530〇^1(酰胺11)、1265(^1(酰胺111)和 700 cm](酰胺V)都顯著增強(qiáng)，這表明了共混膜的結(jié)晶度增加。當(dāng)殼聚糖含量

為40%，共混膜拉伸斷裂強(qiáng)度約為純絲素膜的7倍。杜慧春等1341也做了相應(yīng)的研

IR譜研究表明118],在絲素騰藻酸鈉共混改性膜中，隨著海藻酸鈉的含量的

増加，絲素肽鏈無(wú)規(guī)線團(tuán)結(jié)構(gòu)減少。當(dāng)海藻酸鈉的含量達(dá)30 wt%時(shí)，絲素肽鏈 無(wú)規(guī)線團(tuán)結(jié)構(gòu)完全消失，并轉(zhuǎn)變成P-折疊鏈結(jié)構(gòu)。這是由于海藻酸鈉中的00 與甘氨酸（Gly)中的NH或丙氨酸（Ala)中的NH之間形成分子間氧鍵，同時(shí) 絲氨酸殘基上-OH也參與了氫鍵的形成，這些氫鍵的形成促成了 P-折疊鏈構(gòu)象的 生成。共混改性膜的拉伸斷裂強(qiáng)度隨著海藻酸鈉的含量的增加而增加，當(dāng)海藻酸 鈉含量為30 wt%時(shí)，共混改性膜的拉伸斷裂強(qiáng)度達(dá)到最大，顯然是由于卜片層 結(jié)構(gòu)形成阻礙了大分子鏈之間的相對(duì)滑移的結(jié)果u

絲素/聚乙烯吡咯烷酮（PVP)共混改性膜的X-ray衍射圖顯示在絲素與 PVP組成為8:2時(shí)，共混膜的衍射峰面積最大，結(jié)晶度最大，拉伸斷裂強(qiáng)度最 大，這是由于絲素肽鏈中的-NH、-OH、-COOH等基團(tuán)中的氫原子與PVP*> C-0形成氫鍵;絲素與PVP組成為7:3時(shí)，共裩膜的力學(xué)性能、柔軟性、吸濕性

和透氣性更適合于做創(chuàng)面材料。

1.2.2.2絲素蛋白制膜后改性研究

絲素溶液制成膜，然后對(duì)薄膜進(jìn)行物理化學(xué)改性處理也是一種對(duì)絲素膜改性 研究的重要方法。例如t應(yīng)力作用、熱處理、水合作用、有機(jī)溶劑下處理膜等。 絲素溶液中，分子鏈一般以無(wú)規(guī)線團(tuán)結(jié)構(gòu)存在，還含有少置的"1-螺旋結(jié)構(gòu)。成膜 時(shí)，絲素分子鏈構(gòu)象發(fā)生轉(zhuǎn)變，并形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)。馬越淳及平林潔等[35]研究發(fā) 現(xiàn)，絲素溶液濃度與成膜溫度對(duì)薄膜聚集態(tài)結(jié)構(gòu)影響很大u當(dāng)絲素溶液濃度低于 5%、成膜溫度大于或等于40X：時(shí)，絲素膜中主要存在silk II結(jié)晶結(jié)構(gòu)；而 以下則為silk I型結(jié)晶結(jié)構(gòu)。當(dāng)絲素溶液濃度為20%、成膜溫度為4〇t：時(shí)，絲素 膜中則主要存在silkll型結(jié)晶結(jié)構(gòu)；而45’C以上則形成silkll結(jié)晶結(jié)構(gòu)。此外，

絲素膜結(jié)晶結(jié)構(gòu)與千燥速度密切相關(guān)[3\室溫下干燥后主要形成silk I型結(jié)晶結(jié) 構(gòu)，但長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存后仍形成silkll結(jié)晶結(jié)構(gòu)；而在快速千燥后，即使在40flC以 上，絲素膜也仍以無(wú)定型的結(jié)構(gòu)為主。

在應(yīng)力作用下，分子間的鍵接方式遭到破壞、重組，這會(huì)引起絲素膜中肽鏈 的構(gòu)象轉(zhuǎn)變，例如，無(wú)規(guī)線團(tuán)轉(zhuǎn)化為P-折疊鏈結(jié)構(gòu)。P-結(jié)構(gòu)的形成會(huì)導(dǎo)致晶體結(jié) 構(gòu)含量增加，從而使得絲素膜強(qiáng)度提高• Ishida等將三層絲素膜在h2Cm/min 的拉伸速度下拉伸lOmin后發(fā)現(xiàn)，拉伸膜的BCNMR中知^〇。和Cs)峰的變寬， 主要是膜中形成了 silk I!結(jié)晶結(jié)構(gòu)。他們還用S60kg/cm2的壓力對(duì)膜進(jìn)行處理，

發(fā)現(xiàn)膜的13CNMR峰沒(méi)有變化，這可能因?yàn)閴毫μ。荒芤鸱肿娱g的作用力 變化，故分子鏈構(gòu)象沒(méi)有發(fā)生轉(zhuǎn)變。用DSC分析拉伸處理后的絲素膜發(fā)現(xiàn) 拉伸LS倍后，試樣在289C和314C處出現(xiàn)吸熱峰，這主要是分別來(lái)自于silkl 和silk II結(jié)晶結(jié)構(gòu)的熔融吸熱峰；而拉伸2.0倍后，試樣在291flC和315X：處出 現(xiàn)吸熱峰，且強(qiáng)度均增加；拉伸17倍后，試樣在低溫處吸熱峰變化不大，而高 溫處吸熱峰移至32(TC,且峰的強(qiáng)度增加，峰形也變得尖銳。以上現(xiàn)象主要是由 于隨著拉伸，共混膜中分子鏈產(chǎn)生高取向化，以至于共混膜中的無(wú)定型部分轉(zhuǎn)變 成silk II型結(jié)晶，從而提高了共混膜的結(jié)晶度。

熱處理可明顯改變絲素膜微觀結(jié)構(gòu)。X-my衍射圖得出137]:絲素膜在2〇(TC 下熱處理時(shí)，隨著熱處理時(shí)間延長(zhǎng)，絲素膜中silk II的衍射環(huán)越來(lái)越清晰。這是 由于silkl型結(jié)晶熔融后，分子間和分子內(nèi)氫鍵被破壞，冷卻后進(jìn)行重結(jié)晶形成 了熱力學(xué)更為穩(wěn)定的siHc I〖型結(jié)晶。：Magoshi等1別用動(dòng)態(tài)模量法研究了熱處理而 引起的絲素鏈構(gòu)象變化的情況得出：在1〇〇^時(shí)絲素膜中的水分被蒸發(fā)掉；在 150XM8(TC的溫度范圍內(nèi)，絲素蛋白中無(wú)規(guī)線團(tuán)的分子內(nèi)和分子間的氫鍵會(huì)被打 斷，蛋白質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)增加，即在〗73X：處發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變；在高于180X：時(shí)，伴 隨氫鍵的重組，無(wú)規(guī)線團(tuán)不可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)镻-折疊鏈結(jié)構(gòu)；在高于190X：時(shí)，則產(chǎn) 生silk II型晶體結(jié)構(gòu)。

通常，蛋白質(zhì)在水合作用下，分子鏈更會(huì)形成伸展結(jié)構(gòu)，從而引起構(gòu)象變 化。在20°C、相對(duì)濕度為96%條件下對(duì)桑蠶絲素膜處理1州，發(fā)現(xiàn)其f3CNMR的

圖譜中：和Ala(Cj出現(xiàn)窄峰，表明了絲素蛋白中無(wú)規(guī)線團(tuán)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變 成silkl型結(jié)晶結(jié)構(gòu)。認(rèn)為，水合作用直接與絲素鏈中的羥基有關(guān)。

水合作用的主要作用位置應(yīng)是Ser上的羥基，其它可參與水合作用位置還有酪氨 酸殘基（Tyr，含量4.8%)、天冬氣酸殘基（Asp,含量19%)和谷氨酸殘基 (Glu,含量1.4%)。Asakura等研究還發(fā)現(xiàn)：蓖麻蠶絲肽鏈可從a-螺旋向p-折 疊鏈構(gòu)象轉(zhuǎn)變。這是由于水合作用使Ala序列結(jié)構(gòu)包裹住Gly殘基，致使a-螺旋 構(gòu)象結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降。1^%〇3扮[4()]研究了在20?130X：條件下，絲素膜在水中的構(gòu) 象變化：60°C以下，膜中絲素肽鏈會(huì)從無(wú)規(guī)線團(tuán)轉(zhuǎn)化為心螺旋結(jié)構(gòu)；當(dāng)溫度髙于 7(TC時(shí)，絲素肽鏈就會(huì)有a-螺旋和P-折疊構(gòu)象（同時(shí)silkl型與silk II型結(jié)晶共 存）共存；隨著溫度增加，P-折疊鏈構(gòu)象增多：且隨著絲素膜在水中浸潤(rùn)時(shí)間的 延長(zhǎng)，無(wú)規(guī)線團(tuán)向P-折疊鏈構(gòu)象轉(zhuǎn)變的速度增加，形成silk II結(jié)晶速度和含量也

都增加。

有機(jī)極性溶劑可引起絲素肽鏈構(gòu)象變化。三氟乙酸、丙酮或甲醇等極性溶 劑能夠引起無(wú)規(guī)線團(tuán)轉(zhuǎn)變?yōu)閟ilk I和silk II型結(jié)晶結(jié)構(gòu)。構(gòu)象變化的程度與所用的 溶劑的水合-脫水過(guò)程的難易程度有關(guān)。實(shí)際上，凡是能與水有良好混溶性的溶劑 都能引起絲素蛋白鏈的構(gòu)象轉(zhuǎn)變，而與水不相混溶的溶劑就不能引起絲素蛋白的 構(gòu)象轉(zhuǎn)變。水合作用能穩(wěn)定絲素蛋白的silk I型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，而有機(jī)溶劑的脫水作 用使silkI型結(jié)晶結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定而形成silk II型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，所以可以通過(guò)改變所使用 的有機(jī)溶劑的種類來(lái)控制構(gòu)象結(jié)構(gòu)。Magoshi等[41〗廣泛研究了用各種處理方法含 有無(wú)規(guī)線團(tuán)的桑蠶絲素膜的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)甲醇處理的膜結(jié)構(gòu)變化的效果最顯著，即 絲素肽鏈主要經(jīng)歷了從無(wú)規(guī)線團(tuán)向P-折疊鏈的構(gòu)象的轉(zhuǎn)變。在水-甲醇的混合溶劑 中，蛋白質(zhì)分子由于體積膨脹效應(yīng)而產(chǎn)生構(gòu)象變化。Tsukada等[421在2〇°C下，用 不同濃度的甲醇溶液對(duì)柞蠶絲素膜進(jìn)行不同時(shí)間處理，研究結(jié)果表明：甲醇濃度 分別為20%、40。/。和60%時(shí)，絲素膜的X-ray衍射圖中曲線峰頂值為20.5°，峰 谷值分別為16.5。和25.5°，這是典型的卜折疊結(jié)構(gòu)；拉曼光譜也發(fā)現(xiàn)：甲醇濃 度為20%和50%時(shí)，絲素膜中酰胺I的譜帶向高波數(shù)方向移動(dòng)；酰胺HI的譜帶也 發(fā)生明顯變化（1263cm-1處峰強(qiáng)減弱，1230 cm-1處出現(xiàn)新的強(qiáng)峰；1106 cm_i處尖

而強(qiáng)的峰幾乎完全消失，1095 cm'1和1073 cnf1處出現(xiàn)新峰；530 cnT1處的峰強(qiáng)急 劇減弱，376 〇1^處的峰幾乎完全消失），絲素膜中拉曼光譜這些變化是L-Aia 構(gòu)象變化造成的，也就是silk I型向silk II型的轉(zhuǎn)變。同時(shí)1R結(jié)果也表明膜生成 了典型的卩折疊鏈結(jié)構(gòu)。

材料科學(xué)中，材料成型工藝對(duì)材料徵觀結(jié)構(gòu)和性能具有重要的影晌。在絲素 材料及其改性膜中，絲素膜制備過(guò)程和改性添加劑不僅改變絲素鏈結(jié)構(gòu)，同時(shí)改 變絲素的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，最終影響絲素膜的物理力學(xué)性能。目前報(bào)道的改性技術(shù) 中，主要是研究膜中熱力學(xué)穩(wěn)定的P-反平行折疊鏈結(jié)構(gòu)或Silk II晶型結(jié)構(gòu)生成， 從而改善絲素膜的拉伸斷裂強(qiáng)度。但是，作為生物醫(yī)用材料，結(jié)晶結(jié)構(gòu)不利于生 物降解和吸收，同時(shí)不利于吸濕性和柔韌性的改善。本文試圖從絲素膜的吸濕性 與柔韌性進(jìn)行改性研究.

絲素膜的生物相容性

絲素蛋白膜與人體組織直接接觸，所以對(duì)其理化性能和生物相容性的研究是 致關(guān)重要的一點(diǎn)。大量研究顯示，絲素膜在皮膚1 口腔及眼睛等組織具有良好的 生物相容性，抗原性不明顯；皮下埋植試驗(yàn)表明，絲素膜在皮下無(wú)明顯炎癥或占 位現(xiàn)象發(fā)生。李明忠進(jìn)行了多孔絲素膜毒性試驗(yàn)，培養(yǎng)人的皮膚表皮細(xì)胞、新生 血管和成纖細(xì)胞長(zhǎng)入多孔絲素膜的動(dòng)物試驗(yàn)*得出多孔絲素膜無(wú)毒性、無(wú)刺激 性，無(wú)過(guò)敏刺激作用，具有良好生物相容性的結(jié)論[43]。但絲素膜與血液直接接觸 的器官應(yīng)用如血管的研究較少.必須對(duì)這方面加以詳細(xì)的血液相容性研究。特別 是血液相容性與膜的結(jié)晶結(jié)構(gòu)及表面狀態(tài)的關(guān)系研究；絲素膜成膜條件或復(fù)合膜 的復(fù)合物選擇，不僅取決于對(duì)膜力學(xué)性能的考慮，還應(yīng)綜合考慮其在特殊器官中 的生物相容性

1.4絲素的應(yīng)用及發(fā)展前景

近年來(lái)，隨著人們對(duì)絲素的深入研究和不斷開(kāi)發(fā)*己在食品、化妝品和生物 醫(yī)藥方面得到應(yīng)用。

(1)絲素作為新型的食品蛋白質(zhì)配料，除營(yíng)養(yǎng)價(jià)值外，在食品加工過(guò)程中也有 其特有的使用價(jià)值，如其乳化性、起泡性和凝膠性，使食品具有獨(dú)特的風(fēng)味f451。 絲素在食品中還有保健作用，對(duì)促進(jìn)動(dòng)物的代謝有特殊的生理效應(yīng)，絲素蛋白中 的丙氨酸能促進(jìn)醇的代謝，釀氣酸能治療神經(jīng)痛，調(diào)節(jié)新陳代謝增加食欲。

(2)絲素蛋白中含有的大量氨基酸能被人體吸收，如將絲素水溶液或絲素粉末 放于日用品中，如護(hù)膚品、洗發(fā)素和牙音等。加入絲素的護(hù)膚品能起到營(yíng)養(yǎng)皮膚 的作用，使肌膚具有良好的觸感、延展性、附著性和保濕性，對(duì)抗皮膚衰老和美 白也有功效。加入絲素的護(hù)發(fā)素，會(huì)使發(fā)質(zhì)變得更加柔軟，具有光澤。同時(shí)，利 用絲素的附著作用，使制得的絲素牙脅能吸附口腔中的繁多細(xì)菌，抗炎效果好， 減少口腔疾病的發(fā)生，對(duì)口腔疾病有很好的預(yù)防和治療作用。

(3)蠶絲早己用于手術(shù)中被用作手術(shù)縫合纖維，所以絲素作為一種生物相容材 料是眾所周知的[46】。絲素膜是—種弱氨基酸膜，與人體親和性良好，安全可靠， 適于做生物醫(yī)學(xué)材料。絲素被生體降解后，能被生體吸收，所以絲素蛋白膜作為 人造皮膚的研究較早也較多。通過(guò)臨床試驗(yàn)驗(yàn)證，絲素膜是研制“人工皮膚”的 較理想的材料。絲素膜具有良好的透明性、柔韌性；透水透氣性適中，其特點(diǎn)與 新鮮豬皮接近，不易被細(xì)菌穿透，又與創(chuàng)面能較好的粘合。而且，它遇濕更為柔 軟，極易與創(chuàng)面緊貼，達(dá)到粘合無(wú)隙。所以如在傷后立即覆蓋于清潔而無(wú)壞死組 織的創(chuàng)面上，能代替皮膚表體起到屏障作用，減少感染，減少因體液滲出而導(dǎo)致 體內(nèi)蛋白和電解質(zhì)的散失，減少換藥次數(shù)，有助于創(chuàng)面愈合。并且絲素膜的光滑 柔軟、無(wú)刺激性、無(wú)抗原性，可減輕病人痛苦。絲素膜的透明性，能觀察到創(chuàng)面 變化情況與愈合過(guò)程，也給臨床治療帶來(lái)了方便。由蘇州大學(xué)材料工程學(xué)院研究 的絲素膜，1994年通過(guò)了中國(guó)紡織總會(huì)的科研鑒定，1995年江蘇省醫(yī)藥管理局組 織的產(chǎn)品鑒定[47]。除此之外，絲素膜還是制造人工角膜1隱形眼鏡等的理想材

料。

(4)生物醫(yī)藥材料還可用于藥物傳遞的載體。將藥物固定在絲素膜上，可發(fā)揮 它們的共同功效。例如，蘇州大學(xué)材料學(xué)院研制出的一種抗菌藥物的絲素膜，能

有效的控制創(chuàng)面感染，促進(jìn)創(chuàng)面愈合。浙江絲綢工學(xué)院研制了 5_FU固定在絲素 膜上，治療癌癥HSI。

(5)在常溫常壓條件下，酶在水中容易進(jìn)行反應(yīng)，它在進(jìn)行反應(yīng)時(shí)是優(yōu)良的觸 媒。但在外界環(huán)境變化時(shí)，如酸、堿性及溫度變化時(shí)，酶就變得不穩(wěn)定，為了解 決這些缺點(diǎn)，可將酶固定在絲素蛋白上形成酶固定化膜。且通過(guò)試劑處理，可以 提高酶在膜上的固定效率。過(guò)氧化物酶在絲素膜上固定以后，酶的活性率提髙， 其各種理化性得到改善，PH值使用范圍加寬，酶促反應(yīng)溫度加寬，熱穩(wěn)定性良 好。日本學(xué)者朝倉(cāng)等制成葡萄糖氧化酶固定化的生物膜，組成酶電極可用于檢 測(cè)病人血糖水平的葡萄糖傳感器，類似的方面還有卩-葡糖苷酶，脂酶?jìng)鞲衅鞯取?/div>