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  蠶絲纖維被人類利用已有上千年的歷史。因其具有力學性能優異、綠色無毒和生物相容性好等優點而廣泛應用于紡織服裝和醫學健康等領域。為了拓展蠶絲的應用領域，增加蠶絲產品的競爭力，就必須對蠶絲纖維進行改良或開發新功能蠶絲。在諸多改良蠶絲的方法中，研究解析天然高性能蠶絲纖維為改良或人工設計高性能絲纖維提供理論依據是一種行之有效的方法。

  夏慶友教授課題組通過比較分析來自不同發育階段（一個蠶生命周期）的10種蠶絲（1齡起絲I-B silk、1齡末絲I-E silk、2齡起絲II-B silk、2齡末絲II-E silk、3齡起絲III-B silk、3齡末絲III-E silk、4齡起絲IV-B silk、4齡末絲IV-E silk、繭衣絲Scaffold silk和繭層絲Cocoon silk）的力學性能和二級結構，發現家蠶不同時期的絲在力學性能和二級結構方面具有較大差異。某些時期的蠶絲具有超強的力學性能。

圖1. 家蠶生命周期和10個吐絲時期

  首先力學性能測量結果顯示10種蠶絲明顯可以分為3大類：幼齡起絲、幼齡末絲和熟蠶絲（繭衣絲和繭層絲）。其中幼齡末絲具有超強的力學性能。課題組從生物學功能上解釋了為什么幼齡絲的力學性能優于熟蠶絲：在覓食、取食和移動過程中，為了抵抗惡劣的自然環境（主要是風吹以及其引起的震動），幼蠶需要吐出力學性能非常優異的幼齡絲來保證自身不會從桑葉或桑樹上掉下去。尤其是在幼齡末期，幼蠶還需要力學性能更加優異的幼齡末絲來固定自身和幫助自身蛻皮。因此幼齡絲對幼蠶的生長發育關重要，所以幼齡絲具有優異的力學性能。而對于熟蠶絲來說，數量眾多的熟蠶絲聚集在一起，其綜合力學性能足夠保護蠶蛹，所以不需要單跟熟蠶絲的力學性能也很優異。接著課題組用ATR-FTIR和XRD技術研究了各個時期蠶絲的二級結構，結果顯示較高的β-折疊結構含量和合適結晶度是有利于增強蠶絲的力學性能，這為改造或者人工設計高性能絲蛋白纖維材料提供了新的參考。

圖2. (A) 各時期蠶絲形貌，(B) 各時期蠶絲力學性能，(C) 4齡末絲和繭絲主要絲蛋白差異

  最后，課題組利用LC-MS/MS技術對比分析了高性能絲（4齡末絲）和繭絲在主要絲蛋白含量上的差異。結果顯示4齡末絲絲素中P25蛋白的含量增加了大約2.9倍，由于P25蛋白是一個具有分子伴侶功能的小分子蛋白，其本身對于絲素小體的組裝和分泌起著重要作用。推測在4齡末絲中額外的P25蛋白具有促進Fib-H蛋白形成更多β折疊結構、連接大分子和增強分子網絡穩定性進而增強4齡末絲力學性能的作用。這為改造蠶絲力學性能和人工合成高性能絲纖維提供了新的思路。

圖3. 蠶絲多層次結構模式圖，(A) 蠶絲纖維和原纖維結構，(B) 繭絲納米原纖維結構，(C)繭絲絲素小體結構及其組裝，(D) 4齡末絲納米原纖維結構

  以上相關成果發表在Biomacromolecules（2019）上。論文的第一作者為西南大學博士生彭章川，通訊作者為夏慶友教授。

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