蚕丝蛋白生物资源高分子材料的应用研究.doc

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1、蚕丝蛋白生物资源高分子材料的应用研究张海萍 朱良均 闵思佳 杨明英（浙江大学动物科学学院/应用生物资源研究所，杭州 310029）摘要 本文概述了浙江大学特种经济动物饲养（含蚕蜂）国家重点学科、生物资源与高分子材料实验室在蚕丝蛋白（丝胶和丝素）理论基础方面的研究成果，及其在医用生物材料、环境材料和新纤维材料等领域内的应用研究成果。延伸了蚕丝产业及桑蚕茧丝综合加工利用途径，拓展了蚕丝蛋白在服饰面料等传统领域外的应用，为进一步利用蚕丝蛋白生物资源研发新型功能材料建立了基础和参考依据。关键词蚕丝蛋白；丝胶；丝素；生物资源高分子；生物材料；应用研究Research of Silk Protein Ap

2、plied in Functional MacromolecularMaterialsZHANG Haiping ZHU Liangjun MIN Sijia YANG Mingying(Institute of Applied Bioresources,College of Animal Science, Zhejiang University, Hangzhou, 310029 )Abstract: In this paper, the basic properties and novel functional materials of silk protein studied at th

3、elaboratory of Bio-resources and Macromolecuar Material, National Key Subject of Economic Animal,Zhejiang University are summarized. The research results show the potential of silk protein used asbiomaterial, environmental material and fibers with special properties. It provides the novel approaches

4、 forthe processing of the silkworm cocoon and the basis for the development of novel practical functionalmaterials from the silk protein (sericin and fibroin).Keywords: silk protein; sericin; fibroin; bioresources material; biomaterial; application research蚕丝蛋白是一类具有优良性能的天然高分子材料，除了应用于丝绸面料、纤维服饰等传统领域外，

5、蚕丝蛋白作为生物资源高分子材料的开发研究已日益引人瞩目，不仅拓展了桑蚕茧丝的应用领域，延伸了蚕丝产业及桑蚕茧丝综合加工利用途径，提升了蚕丝蛋白的应用价值和市场竞争力，而且对提高蚕丝行业经济效益，推动蚕丝业循环经济建设发展等具有重要意义。浙江大学特种经济动物饲养（含蚕蜂）国家重点学科、生物资源与高分子材料实验室，多年来开展蚕丝蛋白在生物材料、环境材料和新纤维材料等领域的应用研究。在蚕丝蛋白（丝胶和丝素）制备、结构与性能等方面研究的基础上，进行了新型材料的开发研究，如丝胶凝胶支架、丝素基创伤修复膜、丝素基骨组织修复支架、丝素基尿道修复支架、基因重组型丝素组织工程支架、蚕丝蛋白涂覆织物和新纤维材料、

6、蚕丝蛋白高吸水材料等的研究。现把研究结果概述如下。1 蚕丝蛋白的基础研究资助项目：国家自然科学基金项目（编号30771633）；浙江省优先主题项目（编号2007C13043）。作者简介：张海萍（1980-），女，博士后。Tel: 0571-86971304；E-mail: hpzhang1980_a通讯作者：朱良均，男，教授，博导。Tel: 0571-86971815；E-mail: ljzhu807蚕丝蛋白的胶凝特性与凝胶结构的研究1-3。丝胶的凝胶化一般在 60以下的温度范围内发生，并随着温度的上升和pH 值的降低而加剧。丝胶凝胶的分子结构为无规卷曲和 构象。丝素溶液在一定条件下发生胶凝作

7、用，当调节pH 值至等电点附近（pH 4.5）即会快速胶凝。通过圆二色光谱和红外光谱分析可知，丝素结构从液态地无规卷曲转化为凝胶态时的 构象。丝胶的胶凝速度快于丝素，而其凝胶强度较弱。丝胶受到热水的作用会产生凝胶溶液的相互转化，而丝素不发生此现象，这是两者的结构和组成不同所致。为丝胶（丝素）溶液的有效利用及凝胶材料的制备建立了理论基础。自制脱盐装置制备丝素蛋白粉4。结果表明，利用该装置可有效提高丝素蛋白粉生产效率和收率，而且可以起到脱色的作用。所得丝素蛋白粉氨基酸含量与茧丝中的氨基酸含量相差不大。采用自制脱盐装置和喷雾干燥组合制备丝素蛋白粉简便可行。冷冻干燥对丝素蛋白凝胶结构的影响5。利用傅里

8、叶变换红外光谱（FTIR）研究了丝素凝胶在冷冻干燥前后二级结构的变化。发现在冷冻干燥过程中，丝素蛋白中分子链内-折叠结构含量增加，分子链间-折叠结构含量减少，并有部分无规卷曲结构转变为-折叠结构，但冷冻干燥前后总的-折叠结构含量变化不大。为丝素凝胶材料的制备提供了理论依据。丝素蛋白在生物材料领域内作为微胶囊壁材应具有的相关理化性质6。经钙盐解的丝素蛋白溶液具有良好的乳化特性和稳定性，在 pH 310 范围内其乳化特性和稳定性变化不是很明显。随着丝素浓度的增加，丝素蛋白的乳化特性、起泡性及其稳定性增强，溶液呈乳白色均匀体系。丝素蛋白的这些良好性质为制备丝素蛋白微胶囊建立了物质基础。不同分子量丝胶

9、制备粉末的溶解性差异及其成因7。用沸水法和高温高压热水法提取丝胶溶液，分别在90热水中进行二次降解处理，获得具有不同分子质量分布范围的各种热水解丝胶溶液，经冷冻干燥制成丝胶粉。对各种丝胶粉的热水溶解性差异比较和成因探讨表明，热水二次降解能够提高丝胶的水溶性，降解处理时间越长，水溶性越大；丝胶的分子质量大小能显著影响其溶解性，而丝胶的结晶结构含量对其溶解性的影响较小。研究结果有助于对不同溶解性丝胶的有效利用。不同结构丝素蛋白对羟基磷灰石结晶的影响8。用中性盐水解方法获得以无规卷曲结构为主的丝素蛋白 (SF) ，再经乙醇处理得到具有-折叠结构的丝素蛋白 (ALSF)。以两种不同结构的丝素蛋白作为羟

10、基磷灰石 (HA)沉积的有机模板，通过共沉淀的方法获得 HA/SF 和 HA/ALSF 复合粉末。利用红外吸收光谱、X-射线衍射、透射电子显微镜等对复合材料样品进行检测和分析表明，2 种丝素蛋白均对 HA 晶体的形核和生长产生影响，但不同结构丝素蛋白调控生成的复合材料其形貌和结晶尺寸有所不同。以上研究结果为羟基磷灰石/丝素蛋白复合材料应用于骨组织工程支架材料的研究提供了依据。丝素蛋白的解酒功能9。通过观察小白鼠翻正反射消失和恢复情况，研究比较丝素水解物及其不同组方的解酒、抗醉方面的效果。结果表明，丝素水解物对抗醉酒有一定效果，但以丝素水解物 +Vc+中药提取物组方的效果为最好。为丝素蛋白解酒药

11、物的研制提供了新思路。辐射剂量对丝素蛋白膜和丝素海绵膜的力学性能和结构的影响10。探讨了10、15、20 和25kGy的 射线辐射灭菌对丝素蛋白膜和丝素海绵膜的影响。发现采用此剂量的辐射灭菌增加了纯丝素膜的断裂伸长率和丝素海绵膜的弹性模量（p005），丝素材料的主链结构和热稳定性能没有明显变化。25kGy 以下辐射剂量对丝素海绵材料力学性能的影响明显小于常用的高压蒸汽灭菌方式，可以作为丝素材料辐射灭菌的剂量参考。8082 丝胶新型材料的开发研究海绵状纯丝胶凝胶支架的开发11。以沸水法提取的普通茧层丝胶为原料，在不添加化学交联剂的条件下，采用冷冻解冻的方法制备出一种新型的海绵状丝胶凝胶支架材料。

12、通过对不同制备条件（如丝胶浓度、冷冻时间、冷冻温度和冷冻解冻次数等）下丝胶凝胶生成率的比较分析，确定了效率最高的丝胶凝胶制备工艺条件。并对不同条件下制备丝胶凝胶的多孔结构、孔径大小和形态结构等进行了研究，为开发实用性凝胶支架材料建立了基础。目前，正在开展研究的还有包括丝胶凝胶膜、丝胶凝胶骨修复支架、丝胶凝胶药物释放载体及丝胶基高吸水材料等丝胶新型材料，并取得了阶段性成果。3 丝素新型材料的开发研究丝素/明胶复合生物膜的研究12。将丝素溶液与明胶溶液按不同共混比在不同条件下进行混合，制备成丝素/明胶共混膜，并对其结构与性能进行了检测分析。发现丝素与明胶的共混性好，共混膜结构改变，热稳定性好；烘干

13、时间对共混膜的溶胀率和溶解率影响不显著，不同浓度乙醇处理对溶胀率有极显著影响，不同共混比则对溶胀率和溶解率都有极显著影响。丝素/壳聚糖复合生物膜的研究13。采用共混法制备丝素/壳聚糖共混膜，并测定其力学性能，结果表明各种配比的丝素/壳聚糖共混膜均具有良好的机械性能，能够克服纯丝素膜刚而脆的弱点。细胞培养结果显示，各种配比的丝素/壳聚糖共混膜都具有良好的细胞相容性，基本上符合生物材料的应用要求。丝素涂覆涤纶织物的研究14。将丝素蛋白溶液涂覆于经过化学刻蚀处理的涤纶织物上，获得丝素蛋白涂覆涤纶织物，并对丝素蛋白涂覆涤纶织物进行理化性能检测和结构特性分析。结果表明，丝素蛋白涂覆整理涤纶织物的涂覆增重

14、率为11.6%，热水溶失保持率为 84.17%，回潮率增加3.8 倍，涂覆涤纶织物的断裂强度和伸度略有降低，但其静电压峰值和静电压衰减时间都得到了明显的改善。涂覆涤纶织物的纤维间填充了丝素蛋白，红外分光光谱检测到丝素蛋白的吸收特征，明确了丝素蛋白涂覆涤纶织物具有改善织物性能的效果。创伤修复用环氧化合物交联丝素凝胶的研究15-18。以二缩水甘油基乙醚（PGDE）为交联剂，制备了具有交联结构的丝素凝胶。采用氨基酸分析、差示扫描量热分析、红外光谱和固体核磁共振等方法的综合分析表明，在较高温度形成的丝胶凝胶中PGDE 与丝素蛋白通过分子间交联形成了凝胶网络结构；而在冰点温度下形成的凝胶中，PGDE 与

15、丝素蛋白没有发生交联。通过对不同条件下制备的丝素凝胶热稳定性的比较分析，可知丝素凝胶的热分解温度峰值随着丝素蛋白质量分数的增加、反应温度的升高而上升；随着交联剂PGDE 体积分数的增加，NaCl 质量分数的增加而呈现先增加后又逐渐下降的趋势。利用该作用获得两种不同结构和性能的凝胶材料。通过对丝素蛋白分别在冰点以下或较高温度下形成的丝素凝胶材料的细胞毒性的研究，发现两种凝胶材料均呈现出较高的细胞相对增殖率，细胞毒性均为1 级，都在可以医用的合格范围内；另外实验还对环氧化合物和戊二醛两种交联剂的细胞毒性进行了对比，发现环氧化合物的细胞毒性明显低于戊二醛。明确了环氧化合物是丝素蛋白材料改性的更为安全

16、的交联剂。基因重组丝素的合成及支架的研究19，20。将家蚕丝素中的序列(GAGAGS)n 与纤维连接蛋白中具有细胞粘附性能的RGD 序列TGRGDSPA 和弹性蛋白中的GVPGV 序列进行基因重组方式进行克隆表达，制备出具有优良性能的丝状蛋白作为生物材料制备基质，并采用静电纺丝制备了纳米纤维，可用作无纺布制备纤维材料。将家蚕丝素中的序列(GAGAGS) 6 与蜘蛛牵引丝中的亲水性序809列YGGLGSQGAGRG 进行基因重组获得新型蛋白，并通过湿纺和静电纺等方法制备出了纳米纤维材料。目前，正在进行丝素创伤修复膜的动物实验和临床实验、丝素基高吸水材料以及丝素/羟基磷灰石复合骨修复支架等材料的研

17、究。4 其它研究蚕丝蛋白质量标准指标的研究21。检测分析了丝素与丝胶中的氨基酸含量、干燥失重和灰分等质量指标，砷、铅等重金属含量的安全性指标，以及菌落总数、大肠菌群和致病菌等微生物指标。参照食品、化妆品等国家标准限量规定，结合蚕丝蛋白的特性和生产制备现状，提出了评价丝素与丝胶质量优劣的指标及相应的数值范围。为制订丝素和丝胶的质量标准提供了有力依据，对指导蚕丝蛋白规范生产具有现实意义和应用价值。高弹性高保暖性丝绵的探索研究22，23。采用碱液、超高温和自制柔软剂处理研制高性能丝绵。指标检测结果表明所制丝绵的弹性回复率为92.37%97.66%，弹性压缩率为59.21%66.77%，均优于行业标准

18、蚕丝绵被特级品的规定。丝绵的含油率为0.28%1.39%，均优于行业标准蚕丝绵被一级品的规定。丝绵的平均保温率在81.91%85.24%之间，传热系数的平均值在21.3727.13 W/（m2）之间。通过改变碱液浓度、柔软剂浓度、超高温处理时间和柔软剂处理时间等条件，发现这些因素对丝绵的弹性回复率没有显著的影响，而柔软剂对弹性压缩率和含油率均有显著影响。通过碱液处理和拉伸处理对丝绵纤维性能影响的研究表明，碱处理和拉伸处理均可提高丝绵纤维的断裂伸长率，用1碱液处理的丝绵纤维的相对断裂伸长率最高，平均值为19.66。丝绵纤维经拉伸处理后，它的平均相对断裂伸长率从15.11提高至22.7。为进一步开

19、发高弹性、抗压和抗折叠的高性能丝绵被提供了重要依据。5 研究展望多年的研究实践表明，利用蚕丝蛋白优良的生物相容性、生物降解性、反应活性和多形态结构，通过修饰改良研制新型材料，提升其在医药、农业和工业等新型领域中的应用价值已成共识。随着科学技术的进步和产业的市场化进程，蚕丝蛋白的新功能特性的不断发现，蚕丝蛋白应用途径的拓宽，研究成果的实用化和产业化也渐成现实趋势。蚕丝蛋白生物资源高分子材料的开发研究前景广阔，蚕丝业循环经济建设发展具有重要社会经济效益。参考文献1 朱良均，姚菊明，李幼禄等，丝胶凝胶物理性状的研究J，蚕业科学，1997，23（1）：47-522 朱良均，胡国梁，姚菊明，陈国定，李幼

20、禄. 丝素蛋白在胶凝时的分子结构、结晶性的探讨J，蚕业科学，1998，24（4）：226-2303 朱良均，姚菊明，李幼禄. 蚕丝蛋白丝胶和丝素凝胶特性的比较J. 科技通报，1998，14（1）：12-164 朱正华，朱良均，陆旋. 丝素蛋白粉制备工艺研究J. 氨基酸和生物资源，2003，25（3）：37-405 刘明，闵思佳，朱良均. 冷冻干燥对丝素蛋白凝胶结构的影响J. 蚕业科学，2007，33（2）：246-2496 朱正华，陆旋，朱良均. 丝素蛋白溶液乳化性质的研究J. 蚕业科学，2007，33（2）：250-2546 张海萍，闵思佳，朱良均等. 用热水解法制备不同分子质量丝胶粉的溶解

21、性差异及其成因探讨J. 蚕业科学，8102008，34（3）：477-4818 丰强，闵思佳，张海萍等. 不同结构丝素蛋白对羟基磷灰石结晶的调控作用J. 蚕业科学，2008，34（3）：472-4769 祝永强，魏克民，朱良均. 丝素水解物及不同组方抗醉酒的动物比较研究J. 蚕桑通报，2008，39（3）：16-1810 高欣，丁益钟， 张海萍等. 辐射灭菌对丝素蛋白材料性能的影响J. 蚕桑通报，2008，39（2）：14-1811 Haiping Zhang，Mingying Yang，Sijia Min et，Preparation and characterization of a no

22、vel spongy hydrogelfrom aqueous Bombyx mori sericinJ，e-Polymers，2008，066：1-1012 马芳，朱良均，邹凤竹，丝素/明胶共混膜的结构与溶解性能的初探J，蚕业科学，2005，31（3）：306-31013 陈春花，朱良均，邹凤竹等，丝素/壳聚糖共混膜的物理性能和细胞相容性探讨J，蚕业科学，2007，33（3）：437-44114 杜孟芳，闵思佳，张海萍等. 用丝素蛋白涂覆涤纶织物的研究J. 蚕业科学，2007，33（3）：427-43215 闵思佳，陈芳芳，田莉等. 不同温度下环氧化合物与丝素蛋白作用形成的凝胶结构J. 蚕业

23、科学，2005，31（2）：161-16516 闵思佳，陈芳芳，吴豪翔. 环氧化合物与丝素蛋白化学交联凝胶的结构J高等学校化学学报，2005，26（5）：964-96717 陈芳芳，闵思佳，田莉. 交联丝素凝胶制备条件的分析J. 纺织学报, 2006, 27（10）：1-518 田莉，陈宇，闵思佳. 环氧化合物制备丝素凝胶材料的细胞毒性研究J. 生物医学工程学杂志，2007，24（6）：1309-131319 Mingying Yang, Chikako Tanaka, Kazuo Yamauchi, Kosuke Ohgo, Masato Kurokawa, Tetsuo Asakura.

24、Silklikematerials constructed from sequences of Bombyx mori silk fibroin, fibronectin, and elastinJ. Journal of BiomedicalMaterials Research Part A, 2008, 84(2): 353-36320 Mingying Yang, Junji Kawamura, Zhenghua Zhu, Kazuo Yamauchi, Tetsuo Asakura. Development of silk-likematerials based on Bombyx mori and Nephila clavipes dragline silk fibroinsJ. Polymer, 2009, 50(1):11712421 朱良均，闵思佳，张海萍等. 丝素、丝胶质量标准指标的研究J. 蚕业科学，2005，31（3）：311-31522 冯志红，朱良均，闵思佳等.高弹高保暖丝绵的性能J. 纺织学报，2007, 28（4）：22-2523 冯志红，朱良均，闵思佳等. 碱液处理和拉伸处理对丝绵纤维性能的影响. 丝绸，2007，1：34-37_