以丝素蛋白质为模型研究蜘蛛丝仿生纺丝技术

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1、李年太学硕士学位论文以丝素蛋白质为模型研究蜘蛛丝仿生纺丝技术摘要蜘蛛丝强度高、弹性好、初始模量大、断裂功大，是迄今为止人类所知道的最强韧的材料之一，所以，模仿蜘蛛吐丝过程生产优良性能的纤维成为高分子材料领域近年来研究的热点之一。在模仿蜘蛛成丝的整个“仿生”技术中有两个技术难点：一个是利用转基因技术，将蜘蛛的相关基因转移到细菌、植物体或哺乳动物体中进行表达，生成并提纯出蜘蛛丝蛋白质；另一个就是采用合适的纺丝技术进行纺丝。人类在近几年通过基因转移刚刚使前一技术难点得以基本解决，而对第二个难点国内外至今尚未真正解决，故本论文拟对该难点展开研究。在目前尚无法获得大量可供实验用的蜘蛛丝蛋白质的情况下

2、，鉴于蚕丝和蜘蛛丝在主要氨基酸组分、成丝机理及结晶和构象方面非常相似，因此，本论文将以蚕的丝素蛋白质为模型对蜘蛛丝仿生纺丝技术进行一些前期探索性的研究。为了给今后的仿生纺丝提供一个较合适的制备再生丝素蛋白质溶液的方法，本论文首先以LiBr～H20为溶剂溶解丝素，并分别用再生纤维素透析袋法、内压式中空纤维膜组件法、Biomax平板膜法和透析一超滤法对蚕丝蛋白质的提纯进行了研究，结果发现：以超滤．透析法除盐以提纯丝素蛋白，具有生产效率较高、节水、回收率较高等优点，利用该法可批量制备再生丝素蛋白质水溶液，由此为仿生纺丝技术的深入研究提供了原料保障。为了给仿生纺丝工艺的确定提供指导，还必须对与蚕体

3、内浓度相近的再生丝素蛋白水溶液的流变性能及其影响因素进行研究。本论文利用控制应力流变仪研究了各种浓度尤其是高浓度的再生丝素蛋白质水溶液的流变行为，探讨了应力、浓度、添加的金属离子及其含量等因素的影响。结果发现：随着溶液中丝素蛋白质浓度的增加，溶液的尊毕土学硕士学位论文以丝紊蛋白质为模型研究蜘蛛丝仿生纺丝技术表观粘度越高；较稀的再生丝素蛋自质水溶液在一定的剪切速率下不会出现剪切增稠现象，只有将其浓缩至一定浓度后才能出现剪切增稠现象；溶液浓度越高，发生剪切增稠的临界剪切速率越低，且二者在一定剪切速率范围内呈线性关系。经拉曼光谱分析表明，再生丝素蛋白质水溶液出现剪切增稠现象，可能是由于丝素蛋白质

4、分子在一定的剪切应力作用下部分构象发生了向0一折叠构象转变所致。另外，研究结果还表明，微量金属离子(Ca2+或K+)的存在，对再生丝素蛋白质水溶液的流变行为也有一定的影响。为了仿照蚕吐丝的机理进行仿生纺丝，本论文还对丝素蛋白纤维化的机理进行了初探，利用偏光显微镜观察了熟蚕中部丝腺内丝素蛋白分子的双折射现象，发现随着丝素蛋白浓度的增加，双折射现象逐渐增强。结合前人的研究成果，可以推断蚕吐丝过程为液晶纺丝过程；通过对一定浓度的再生丝素蛋白水溶液旌加一定的剪切应力，也可以观察到再生丝素蛋白水溶液存在各向异性现象。由此进一步表明，浓度与应力是影响丝素蛋白质纤维化的重要因素。此外，本论文还对蜘蛛和蚕

5、进行了人工强制纺丝，初步探讨了不同的拉丝速度对蜘蛛丝和蚕丝的结构与性能的影响，研究结果表明，当拉丝速度人为地适当提高后，可有效提高蚕丝的力学性能，由此再次证明纺丝过程对蜘蛛丝和蚕丝的结构与性能影响很大。因此，在模仿蜘蛛成丝的整个“仿生”技术中，纺丝技术的开发尤为重要。关键词：蜘蛛丝、丝素、透析、浓缩、流变、纤维化n毒卑土晕硬士学位论文以丝素蛋白震为模型研究蜘蛛墼仿生纺丝技术ABSTRACTSpidershavebeenabletospinsilksforatleast380millionyears．Spidersilkshaveremarkablemechanicalpropertiesb

6、ycombininghightensilestrengthwithoutstandingelongationbeforebreaking．ThiscombinationmakesmanyspidersiIksextremelytoughevenwhencomparedWithmosthigh-performantesyntheticmaterialS．Spideremployssimplerprocessingconditionsandfarmilderthanthoseusedinsyntheticfiberprocessing．BiomimeticspinningstudyOnspid

7、ersilkhasbecomeoneofleadingareainpolymerSCience．MUChworkhasbeendoneinthelastdecadetoattempttoproduceman-madespidersilk．Therearestilltwokeyissuesintheseresearches．Oneiscloningandexpressionofspidergenetobacteria、pl