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西南大學夏慶友教授團隊 Macromolecules：在家蠶和蜘蛛的泌絲行為影響絲纖維結構性能的研究中取得新進展

2023-02-21 來源：高分子科技

近日，西南大學生物學研究中心夏慶友教授團隊在國際高分子科學TOP期刊Macromolecules（化學類/高分子科學類一區）上發表題為“Bending?Spinning Produces Silkworm and Spider Silk with Enhanced Mechanical Properties”（泌絲時的彎曲作用能增強蠶絲和蜘蛛絲的力學性能）的研究論文。該論文發現家蠶和蜘蛛在分泌絲纖維過程中新生絲纖維會發生一定彎曲角度的現象，并揭示了這種彎曲作用增強蠶絲和蜘蛛絲力學性能的分子機理。

地球上存在著成千上萬種泌絲動物，其中以家蠶和蜘蛛最為著名，因為蠶絲和蜘蛛絲具有優良的力學性能和巨大的仿生應用潛力。泌絲行為可以影響絲纖維的結構和力學性能，家蠶和蜘蛛的自然泌絲行為會使新鮮分泌的絲纖維具有一定彎曲角度，然而一直未見關于這種彎曲作用是否影響新生絲纖維的結構和性能的報道。該研究首先通過建模和調查分析，發現家蠶吐絲結繭和蜘蛛泌絲過程中，新生絲纖維通過噴絲口后會立刻發生一定角度范圍的彎曲，家蠶絲為70.23°-87.93°，蜘蛛絲為0°-50°。

圖1 新生蠶絲彎度角度建模分析

圖2 新生蜘蛛絲彎度角度調查分析

該研究進一步通過強拉絲實驗來研究彎曲作用是否影響新生絲纖維的結構和性能。在強拉絲過程中，作者使新生絲纖維受到不同角度的彎曲作用（0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°、180°、270°、360°），接著利用DMA、FTIR、WAXD等技術分析了上述不同彎曲角度對新生絲纖維力學性能、二級結構、晶體結構的影響。

力學性能分析結果顯示，新生蠶絲和蜘蛛絲的力學性能會隨著彎曲角度(0°~ 360°)的增大出現先增大后減小的變化規律。并且，新生蠶絲力學性能最好的彎曲角度為67.5°~ 90°，新生蜘蛛絲為45°。新生蠶絲的自然彎曲角度(70.23°~ 87.93°)與最佳彎曲角度(67.5°~ 90°)大致重合；新生蜘蛛絲的最佳彎曲角度(45°)在自然彎曲角度(0°~ 50°)范圍內。因此，作者認為新生絲纖維的彎曲作用能顯著增強蠶絲和蜘蛛絲的結構和性能，并提出家蠶和蜘蛛等泌絲動物很可能根據高分子絲蛋白的固化特征進化出相應的泌絲器官和泌絲行為，以獲得性能更佳的絲纖維，這有利于它們的生存繁衍。

圖3 新生蠶絲被彎曲處理后的結構性能分析

結構分析表明，β-折疊結構、結晶度和晶粒尺寸隨彎曲角度的增大而逐漸增大，取向度隨彎曲角度的增大而逐漸減小。β-折疊結構和結晶度增大有利于絲纖維力學性能的增強，晶粒尺寸增大和取向度減小不利于絲纖維力學性能的增強。四種微觀結構隨彎曲角度的增大發生規律性變化揭示了新生絲纖維的力學性能先增大后減小的原因：彎曲處理新生絲纖維過程中，前期（彎曲角度小于某個值時）β-折疊結構和結晶度增加導致的力學性能增加起主導作用，后期（彎曲角度大于上述值時）晶粒尺寸增大和取向度降低造成的力學性能下降起主導作用，這兩種相反的作用因素的綜合作用最終導致絲纖維的強度、彈性模量和韌度等力學性能出現先增大后減小的變化現象。

此外，作者還探討并揭示了彎曲行為影響蠶絲和蜘蛛絲等絲纖維的結構和性能的分子機理。

圖4 彎曲對新生絲蛋白纖維結構和性能的影響。

西南大學前沿交叉學科研究院生物學研究中心博士后彭章川為論文第一作者，趙萍教授和夏慶友教授為通訊作者。該項目得到了國家自然科學基金重點項目、國家自然科學基金項目、中國博士后科學基金項目、重慶市自然科學基金博士后科學基金項目等項目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.2c00868

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（責任編輯：xu）

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