再生絲素（RSF）的水溶液被認(rèn)為是生產(chǎn)各種絲蛋白基材料的原料，包括水凝膠、薄膜、棒和纖維等，具有顯著的力學(xué)性能。然而，RSF的水溶液在其基本性質(zhì)上通常在幾天甚至幾個(gè)小時(shí)內(nèi)是不穩(wěn)定的，因?yàn)镽SF鏈的構(gòu)象在水中會(huì)自發(fā)地從隨機(jī)線圈轉(zhuǎn)變?yōu)棣?片狀。在這項(xiàng)工作中，我們開發(fā)了一種優(yōu)化的噴霧干燥方法，通過在相對(duì)較低的溫度下快速干燥來收獲RSF粉末。結(jié)果表明，在粉末制備過程中，RSF鏈沒有發(fā)生嚴(yán)重的降解和構(gòu)象轉(zhuǎn)變，RSF粉末在水中具有良好的溶解度和較長(zhǎng)的室溫穩(wěn)定性。重要的是，由噴霧干燥RSF粉末（Sp-RSF）水溶液和新鮮RSF溶液制備的絲蛋白基材料的機(jī)械性能沒有明顯差異。事實(shí)上，這種蛋白質(zhì)鏈以隨機(jī)線圈結(jié)構(gòu)為主的無定形Sp-RSF粉末不僅有望成為各種應(yīng)用中大規(guī)模絲蛋白基產(chǎn)品的原料，而且為通過絲素蛋白的非傳統(tǒng)加工制備塊狀絲蛋白材料提供了基礎(chǔ)。比如借助熱量和濕氣進(jìn)行成型。
研究?jī)?nèi)容
Sp-RSF粉末呈球狀，可溶于水(圖1a)。相比之下，商業(yè)SF粉，化妝品的一種成分，是棒狀的，不溶性(圖1b)。由圖1c可知，Sp-RSF粉末中SF的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象為隨機(jī)線圈狀，而在商業(yè)SF粉末中則為β-片狀。XRD數(shù)據(jù)(圖1d)顯示，Sp-RSF粉末無結(jié)晶峰，而商用SF粉末在20.1°左右出現(xiàn)尖峰，為Silk II型結(jié)晶結(jié)構(gòu)。
圖1 Sp-RSF粉體的制備與表征。(a) Sp-RSF粉末和(b)商用SF粉末的照片、SEM圖像和在水中的溶解度(過濾前)。(c) Sp-RSF粉末和商用SF粉末的FTIR光譜。(d) Sp-RSF粉和商用SF粉的XRD數(shù)據(jù)。
圖2所示。Sp-RSF樣品在高角頻率下的存儲(chǔ)模量(G′)和損耗模量(G′′)略低于前者。Aq-RSF樣品計(jì)算得到Aq-RSF的重均分子量(Mw)約為90 kDa；計(jì)算得到Sp-RSF的重均分子量（Mw）約為85kDa。結(jié)果表明，優(yōu)化后的噴霧干燥方法對(duì)HMWRSF（絲素蛋白溶液）沒有發(fā)生嚴(yán)重的降解。
圖2 30°C 時(shí)10 wt% Aq-RSF/AmimCl 溶液和 Sp-RSF/AmimCl 溶液的存儲(chǔ)模量和損耗模量G'和 G''隨頻率的變化而變化。這些線是基于Rouse模型的理論曲線，并結(jié)合了分子量的高斯分布。
為了證明Sp-RSF粉末形成SF基材料的能力。通過溶解Sp-RSF粉末，制備了Sp-RSF基薄膜、水凝膠和固體。Sp-RSF基材料的力學(xué)性能及破壞過程與由新鮮 HMWRSF 水溶液制成的基于Aq-RSF 的材料相似（圖3）。
圖3 Aq-RSF 和 Sp-RSF 基材料的機(jī)械性能。（a） RSF 薄膜在 75%RH 下拉伸試驗(yàn)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（b） RSF 水凝膠在拉伸試驗(yàn)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（c） RSF 水凝膠在壓縮試驗(yàn)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（d） RSF 固體在壓縮試驗(yàn)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
圖4通過6個(gè)月的時(shí)間評(píng)估Sp-RSF粉的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。對(duì)于新鮮的HMWRSF溶液，通常在室溫下兩周內(nèi)發(fā)生溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變。HMWRSF的交聯(lián)是由RSF鏈之間的聚集和β-折疊形成引起的，提高儲(chǔ)存溫度可以加速這一過程。因此，新鮮的HMWRSF溶液通常儲(chǔ)存在4°C。然而，由于低含水量限制了RSF鏈的流動(dòng)性，Sp-RSF粉末限制β-折疊的形成。從FTIR光譜(圖4a)和XRD數(shù)據(jù)(圖4b)可以看出，在室溫下存放6個(gè)月后，粉末中的Sp-RSF仍然保持了非晶結(jié)構(gòu)。
圖4 Sp-RSF粉末制備和儲(chǔ)存6個(gè)月的比較證明了Sp-RSF粉末的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。（a）Sp-RSF粉末的FTIR光譜。（b）Sp-RSF粉末的XRD數(shù)據(jù)。（c）Sp-RSF 水凝膠在拉伸試驗(yàn)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（d）Sp-RSF水凝膠在壓縮試驗(yàn)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
在干燥狀態(tài)（含水量：5 wt%）和濕態(tài)（含水量：15 wt%）下通過熱成型Sp-RSF粉末制備了蠶絲板。Sp-RSF粉末裝入在預(yù)先設(shè)計(jì)的鋼模中，然后在200MPa下致密化成厚度約為1mm的板。板顏色和透明度的視覺過渡表明粉末的融合和微觀尺度的結(jié)構(gòu)變化（圖 5a-5b）。結(jié)合橫截面SEM圖像，發(fā)現(xiàn)干燥的Sp-RSF粉末的完全熔化發(fā)生在150°C 時(shí)，而濕的Sp-RSF粉末的完全熔化發(fā)生在60°C時(shí)。粉末中較高的含水量有利于粉末的熔化和在較低溫度下形成均勻的塊狀材料。
通過ATR-FTIR光譜研究了干燥的Sp-RSF粉末（圖5c）和濕的Sp-RSF粉末（圖5d）板中RSF的構(gòu)象。隨著成型溫度的升高，酰胺I帶從1648-1cm移動(dòng)到1620-1cm，表明RSF的主要構(gòu)象從無規(guī)卷曲轉(zhuǎn)變?yōu)棣?折疊。典型的β-折疊結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在150°C下成型的干燥Sp-RSF粉末和在60°C下成型的Sp-RSF粉末中。隨著成型溫度的升高，在干燥狀態(tài)（圖5e）和濕態(tài)（圖5d）下成型的蠶絲板的結(jié)晶呈現(xiàn)出不同的趨勢(shì)。Silk I和II是絲素蛋白的兩種眾所周知的晶體結(jié)構(gòu)。Silk I 的主衍射峰在 12.0°、19.8° 和 24.5°，Silk II 的主衍射峰在 9.0° 和 20.6°。對(duì)于干燥的Sp-RSF粉末，在較低溫度（30°C、60°C、90°C）下成型時(shí)，在蠶絲板中形成的晶體結(jié)構(gòu)較少，而在較高溫度（120 °C、150 °C）下成型時(shí)形成典型的Silk II結(jié)構(gòu)。對(duì)于濕Sp-RSF粉末，在較低溫度（30 °C、60 °C、90 °C）下成型時(shí)形成典型的Silk I結(jié)構(gòu)，而Silk I和II在較高溫度（120 °C、150 °C）下成型時(shí)共存。
圖5 Sp-RSF 粉末的成型。由（a）干Sp-RSF粉末和（b）濕 Sp-RSF 粉末制備的絲綢板的照片和橫截面 SEM 圖像。由（c）干燥的Sp-RSF 粉末和（d） 濕的 Sp-RSF 粉末制備的絲綢板的 ATR-FTIR 光譜。由（e）干Sp-RSF粉末和（f）濕Sp-RSF 粉末制備的絲板的XRD數(shù)據(jù)。干或濕Sp-RSF 粉末在不同溫度下成型：30 °C （D/W30）、60 °C （D/W60）、90 °C （D/W90）、120 °C （D/W120） 和 150 °C （D/W150）。
TMDSC（圖6a）能將總熱流分為可逆熱流和非可逆熱流，因此高能量水蒸發(fā)不能掩蓋RSF的轉(zhuǎn)變。對(duì)于干燥Sp-RSF粉末，反轉(zhuǎn)信號(hào)有兩種變化。第一種是在90℃左右脫水后從無定形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為silk II結(jié)晶的結(jié)果。第二個(gè)是SF在180°C左右的本征玻璃化轉(zhuǎn)變。對(duì)于濕Sp-RSF粉末，反轉(zhuǎn)信號(hào)也有兩種變化。第一個(gè)是RSF在25℃左右的水塑化玻璃化轉(zhuǎn)變。第二種是在90℃左右脫水后從silk Ⅰ轉(zhuǎn)化為silk Ⅱ的結(jié)果。
圖6（a）干燥的Sp-RSF粉末和潮濕的Sp-RSF粉末的TMDSC的反向熱流曲線。（b）由濕Sp-RSF粉末制備的蠶絲板在不同溫度（30°C/W30、60°C/W60、90°C/W90、120°C/W120 和150°C/W150）和不同濕度（75% RH、85% RH、92% RH）下的機(jī)械性能。
結(jié)論
在這項(xiàng)研究中，報(bào)道了通過專門的噴霧干燥方法實(shí)現(xiàn)的高分子量可溶性和穩(wěn)定的Sp-RSF粉末。我們發(fā)現(xiàn)水-蛋白質(zhì)關(guān)系對(duì)Sp-RSF粉末的制備和加工至關(guān)重要。在制備過程中，低溫下的快速水分蒸發(fā)限制了SF的構(gòu)象轉(zhuǎn)變和降解。Sp-RSF鏈在干燥狀態(tài)下的低遷移率也賦予了Sp-RSF粉末長(zhǎng)期穩(wěn)定性。在加工中，材料制造的先決條件是增強(qiáng)Sp-RSF的流動(dòng)性。除了溶解之外，還展示了一種水輔助成型方法來制造蠶絲板。水分的引入促進(jìn)了Sp-RSF的流動(dòng)性和粉末在低成型溫度下的熔融。與熱成型方法相比，我們的方法減輕了絲素蛋白熱降解對(duì)生物相容性的潛在風(fēng)險(xiǎn)。本研究可為基于水和Sp-RSF粉末組合的新方法的開發(fā)提供指導(dǎo)。我們相信，從新源材料和新加工方法的角度來看，Sp-RSF粉末可能有助于蠶絲基材料邁入新階段。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.giant.2024.100313
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