西南大学夏庆友教授课题组在高性能丝纤维材料研究方面取得新进展

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蚕丝纤维被人类利用已有上千年的历史。因其具有力学性能优异、绿色无毒和生物相容性好等优点而广泛应用于纺织服装和医学健康等领域。为了拓展蚕丝的应用领域，增加蚕丝产品的竞争力，就必须对蚕丝纤维进行改良或开发新功能蚕丝。在诸多改良蚕丝的方法中，研究解析天然高性能蚕丝纤维为改良或人工设计高性能丝纤维提供理论依据是一种行之有效的方法。

夏庆友教授课题组通过比较分析来自不同发育阶段（一个蚕生命周期）的10种蚕丝（1龄起丝I-B silk、1龄末丝I-E silk、2龄起丝II-B silk、2龄末丝II-E silk、3龄起丝III-B silk、3龄末丝III-E silk、4龄起丝IV-B silk、4龄末丝IV-E silk、茧衣丝Scaffold silk和茧层丝Cocoon silk）的力学性能和二级结构，发现家蚕不同时期的丝在力学性能和二级结构方面具有较大差异。某些时期的蚕丝具有超强的力学性能。

图1. 家蚕生命周期和10个吐丝时期

首先力学性能测量结果显示10种蚕丝明显可以分为3大类：幼龄起丝、幼龄末丝和熟蚕丝（茧衣丝和茧层丝）。其中幼龄末丝具有超强的力学性能。课题组从生物学功能上解释了为什么幼龄丝的力学性能优于熟蚕丝：在觅食、取食和移动过程中，为了抵抗恶劣的自然环境（主要是风吹以及其引起的震动），幼蚕需要吐出力学性能非常优异的幼龄丝来保证自身不会从桑叶或桑树上掉下去。尤其是在幼龄末期，幼蚕还需要力学性能更加优异的幼龄末丝来固定自身和帮助自身蜕皮。因此幼龄丝对幼蚕的生长发育关重要，所以幼龄丝具有优异的力学性能。而对于熟蚕丝来说，数量众多的熟蚕丝聚集在一起，其综合力学性能足够保护蚕蛹，所以不需要单跟熟蚕丝的力学性能也很优异。接着课题组用ATR-FTIR和XRD技术研究了各个时期蚕丝的二级结构，结果显示较高的β-折叠结构含量和合适结晶度是有利于增强蚕丝的力学性能，这为改造或者人工设计高性能丝蛋白纤维材料提供了新的参考。

图2. (A) 各时期蚕丝形貌，(B) 各时期蚕丝力学性能，(C) 4龄末丝和茧丝主要丝蛋白差异

最后，课题组利用LC-MS/MS技术对比分析了高性能丝（4龄末丝）和茧丝在主要丝蛋白含量上的差异。结果显示4龄末丝丝素中P25蛋白的含量增加了大约2.9倍，由于P25蛋白是一个具有分子伴侣功能的小分子蛋白，其本身对于丝素小体的组装和分泌起着重要作用。推测在4龄末丝中额外的P25蛋白具有促进Fib-H蛋白形成更多β折叠结构、连接大分子和增强分子网络稳定性进而增强4龄末丝力学性能的作用。这为改造蚕丝力学性能和人工合成高性能丝纤维提供了新的思路。

图3. 蚕丝多层次结构模式图，(A) 蚕丝纤维和原纤维结构，(B) 茧丝纳米原纤维结构，(C)茧丝丝素小体结构及其组装，(D) 4龄末丝纳米原纤维结构

以上相关成果发表在Biomacromolecules（2019）上。论文的第一作者为西南大学博士生彭章川，通讯作者为夏庆友教授。

论文链接：

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/acs.biomac.8b01576

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