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01研究背景
以蛋白质为基础的天然蚕丝主要由蜘蛛、蚕、其他昆虫和贻贝纺织而成。数千年来，因其具有非凡的物理特性、良好的生物相容性和长期的生物降解性，一直吸引着广大科研者的兴趣。由于其独特的氨基酸序列和纺丝条件，天然蚕丝表现出不同的物理特性，从而形成了独特的分层三维结构。迄今为止，蚕丝及其衍生物的研究和生产最为广泛，包括各种再生丝纤维素（RSF）。在过去的20年里，研究人员一直在对不同类型的蜘蛛丝进行遗传、结构和功能研究，并研究出人工丝。在六种蜘蛛丝和一种丝胶中，拖丝的断裂强度最高，被广泛研究。与蚕不同的是，由于蜘蛛的领地性和攻击性，它无法被养殖。因此，蜘蛛纤维素（spidroins）的重组生产为纺制具有理想机械性能的人造蜘蛛丝提供了一个可行的解决方案。尽管由高分子量（MWs）kDa的重组spidroins纺制的人造蜘蛛丝纤维可以显示出与天然拖丝相当的强度，但凝固浴中使用的苛刻条件和/或纯化的高分子量重组spidroins的低产量使其难以进行大规模生产和应用。事实上，大多数人造蜘蛛丝纤维在一种或多种机械性能上仍然不如其天然同类产品。代替纯化和纺丝重组丝蛋白，从商品化的桑蚕中获得蛋白丝或纤维素，是满足纺织和医疗行业需求的最经济和实用的方法。桑蚕纤维蛋白的基本单位包括一条kDa的重链、一条26kDa的轻链和一条25kDa的糖蛋白P25。二硫键的重链和轻链以摩尔比为6:6:1通过非共价相互作用与P25结合。在水溶液中，多个纤维蛋白单元可以相互作用，形成表面有亲水性末端结构域的纳米级胶束状结构。这些胶束在剪切力诱导的结构转变和丝纤维形成之前，进一步聚集成微米级的蛋白球。与蜘蛛拖丝类似，蚕丝的甘氨酸和丙氨酸含量超过70%。这两种类型的氨基酸是丝纤维中形成b片和纳米微晶结构高度重复序列的主要成分。然而，蚕丝显示的强度或韧性明显弱于所有类型的蜘蛛丝。例如，大多数蜘蛛拖丝的抗拉强度可以达到0.9-1.4GPa，而生蚕丝和由RSFs纺制的人造丝纤维只表现出-MPa的断裂张力。另外，稳定表达嵌合蜘蛛和蚕丝蛋白的转基因蚕可以为大规模生产高性能蚕丝提供另一种途径，在适当的测试速度下，这些蚕丝的机械性能通常介于蚕丝和蜘蛛丝之间。02研究成果
蚕丝是基于蛋白质的生物聚合物，其可具备独特的不同物理特性组合。蚕丝因其丰富的资源和良好的力学性能而被广泛研究。然而，蚕丝表现出的强度比最强的天然丝--蜘蛛拖丝要弱，且难以大规模生产。近日，天津大学林志教授团队在生产高强度人造丝方面迈出了关键一步。开发了一种简单的策略，在金属离子凝固浴中使用再生蚕丝蛋白来纺制超强的蚕丝纤维。人造丝的抗拉强度达到2.0GPa，比拖丝的平均韧度高70%以上。它的平均杨氏模量为43GPa，明显高于任何已知的天然丝绸。结构研究表明，这种超常的强度可能归因于人造纤维中形成的高结晶度和小的纳米微晶。在纺丝和纺丝后的拉丝过程中，Zn2+融入到纤维中，可有助于提高其优异的机械性能。据研究者所知，这是有史以来第一份在强度和刚度上明显超过天然蜘蛛丝的人造丝的纺丝报告。相关研究工作以“Articialsuperstrongsilkwormsilksurpassesnaturalspidersilks”为题发表在期刊《Matter》上。03图文速递
图1.水溶液中RSF的表征为了生产人造丝纤维，首先通过脱胶和溶解过程使蚕丝蛋白再生。以前的研究表明，脱胶过程容易造成肽和分子间二硫键断裂，导致纤维中出现更多的链端。因此，从降解的RSFs中纺出的人造纤维不可能有高的抗拉强度。通过使用特定的化学制剂或蛋白水解酶适当控制脱胶温度和时间，可以实现最佳的脱胶率和最小的降解（图1）。使用SDS和Na2CO3（RSF-SN）以及木瓜蛋白酶（RSF-Pa）在80℃-85℃下的脱胶率均在28%左右（图1A），表明从蚕丝纤维中去除了大部分丝氨酸。使用Na2CO3（RSF-N60）在℃下的脱胶率较高，为31%，这可能是由于纤维素降解和溶解导致的重量损失。RSF-SN和RSF-Pa纤维素显示出低程度的蛋白质降解（图1B）。从梯度凝胶中估计的RSF-SN和RSF-Pa纤维蛋白的主要条带的分子量（MWs）大于kDa，与重链的理论分子量（kDa）一致。然而，RSF-N60被严重降解为较小的蛋白质，分子量从40到kDa不等，与以前的报告一致。动态光散射显示，RSF-SN从溴化锂溶液复性后，可以组装成流体力学半径（Rh）为20-30和-nm的大复合物，但也不排除存在半径在2-3nm之间的低分子量纤维素（图1C）。这一测量结果与以前的观察一致，表明重链和轻链可以与P25相互作用，在水溶液中形成一个0kDa的大复合物。RSF-Pa纤维蛋白形成具有相似尺寸分布的复合物略小，而RSF-N60分子的半径则下降到nm。圆二色谱（CD）光谱表明，RSF-SN和RSF-Pa纤维素聚集成富含b的结构，这在RSF-N60中急剧减少，因为蛋白质链的降解可能破坏丝纤维素在水溶液中的再折叠（图1D）。刚果红（CR）染色进一步证实了这些b结构，当CR与RSF-SN和RSF-Pa相互作用时，在-nm之间出现红移和吸光度明显增加（图1E）。相比之下，缺乏b类结构的RSF-N60几乎没有显示与CR的结合。这些结果突出了完整的分子链，特别是重链，对于纤维素在形成丝纤维之前的折叠和预组装的重要性。图2.人造丝和天然丝纤维的形态和机械性能的比较与其他人造丝纤维类似，未纺的RSF-SN和RSF-Pa纤维通常表现出兆帕的低抗拉强度。在金属离子溶液和70%的乙醇中进行纺丝拉丝后，人造纤维的直径从15mm下降到4-6mm，小于脱胶后的桑蚕丝（9-11mm），但接近于蜘蛛拖丝（3-5mm）。RSF-SN和RSF-Pa纤维横截面的扫描电子显微镜（SEMs）显示出球状的纳米结构形态，表明RSF最初被组装成胶束状结构（图2A和2B）。在Na2CO3脱胶的天然蚕丝中也观察到这种球状形态（图2C）。光滑的表面和偏振光下强烈的双折射表明，拉丝后的人造纤维在施加力的方向上含有排列整齐的纤维蛋白链（图2D-2F和S3）。图2G-2K和表S1（补充资料）显示了两种后拉人造丝的机械测试，包括应力-应变曲线和得出的机械性能（杨氏模量和韧度）。与RSF-SN不同，RSF-Pa纤维显示出.8G29.6MJm-3的高韧性，约为拖丝的60%（图2J），尽管其拉伸强度（GMPa）接近拖丝。图3.RSF-SN、RSF-Pa和脱胶后的天然桑蚕丝纤维模型：（A）具有高结晶度和小纳米微晶的RSF-SN蚕丝纤维；(B)RSF-Pa丝纤维，螺旋结构含量高，纳米晶粒小；(C)天然蚕丝，结晶度低，纳米晶粒大。Zn2+融入RSF-SN和RSF-Pa丝纤维，可能对其机械性能做出贡献。04结论与展望
综上所述，研究者报告了一种简单的策略，即利用成本低廉的未降解RSF和金属离子凝固浴来纺制超强的人工蚕丝。RSF丝纤维的抗拉强度（2.0GPa）可以大大超过最强的天然丝--蜘蛛拖丝的值。因此，这里开发的方法为大规模生产有利可图的高性能丝基材料打开了一扇充满希望的大门。