CN103757729B

CN103757729B - 一种丝蛋白纳米微纤及其制备方法

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Publication number: CN103757729B
Application number: CN201310735133.9A
Authority: CN
Inventors: 陈新; 凌盛杰; 邵正中
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2013-12-28
Filing date: 2013-12-28
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2033-12-28
Also published as: CN103757729A

Abstract

本发明属于天然高分子材料和纳米材料技术领域，具体为一种丝蛋白纳米微纤及其制备方法。本发明利用乙醇或者加热诱导丝蛋白分子进行自组装获得分散均匀的丝蛋白纳米微纤。利用乙醇诱导方法获得的丝蛋白纳米微纤为枝化型，而利用加热诱导方法制备的丝蛋白纳米微纤为线型。两种方法获得的蛋白纳米微纤中丝蛋白的构象均为反平行β-折叠，与天然丝纤维中的纳米微纤相同。本发明制备过程简单，环境友好，节能高效，得到的丝蛋白纳米微纤，其形貌和大小尺寸可以通过改变组装条件进行调控，并且可在溶液中长时间稳定存在，有利于后续制备成不同形式的材料，用于生物医用、分离等领域。

Description

一种丝蛋白纳米微纤及其制备方法

技术领域

本发明属于天然高分子材料和纳米材料技术领域，具体涉及一种丝蛋白纳米微纤及其制备方法。

背景技术

天然蛋白质微纤（如：淀粉样纤维、胶原微纤等）以及短肽自组装微纤由于具有制备过程简单环保、微纤产品生物相容性好、生物降解可控等优点已经广泛地应用于食品、医药、生物技术等领域，如食品包装、生物支架、酶响应材料、分离膜等。此外，蛋白质微纤还可以作为模板调控各类无机材料的合成，如调控金、银、铜、铁等无机离子形成特定颗粒、线状、片状等形貌，因此蛋白质微纤也可广泛地应用于纳米材料技术领域，如制备有机/无机杂化材料等。

动物丝（蚕丝和蜘蛛丝等）中广泛存在着直径为5~50 nm、长度为500~1,000 nm的纳米微纤，该类微纤对动物丝的强度和韧性起着决定作用。但是由于动物丝本身不溶于水，在制备丝蛋白材料的过程中，往往需要使用特定的溶剂将丝溶解成丝蛋白溶液，该过程会直接导致丝蛋白微纤结构的破坏，因此动物丝蛋白微纤并不能被直接使用。

虽然丝蛋白溶液中的丝蛋白分子链能够在一定的条件下（如：pH、温度、机械搅拌等）组装成为0~1维结构，但是由于丝蛋白分子在水溶液状态并不稳定，在pH和温度改变或剪切状态下，很容易发生絮凝或凝胶。因此，在之前有关丝蛋白分子组装为丝蛋白纳米微纤的报道中，这些丝蛋白纳米微纤都存在于絮状物或者凝胶中[Gong, Z. G., Huang, L., Yang, Y. H., Chen, X. & Shao, Z. Z. Chem. Commun. 48, 7506-7508 (2009); Gong, Z. G., Yang, Y. H., Huang, L., Chen, X. & Shao, Z. Z. Soft Matter 6, 1217-1223 (2010); Greving, I., Cai, M. Z., Vollrath, F. & Schniepp, H. C. Biomacromolecules 13, 676-682 (2012)]。但因为絮状物和凝胶很难加工成型，所以该类丝蛋白纳米微纤的应用受到极大的限制。同时，这些方法获得的丝蛋白纳米微纤中丝蛋白的构象为cross-β-折叠，即β-折叠的方向与微纤的纤维轴垂直，与天然动物丝中的纳米微纤的反平行β-折叠（β-折叠的方向与微纤的纤维轴平行）的结构并不一致。而由反平行β-折叠组成的微纤，其的力学性能优于由cross-β-折叠组成的微纤在相关研究领域已获得普遍认同。

基于以上情况，本发明通过合理控制诱导剂乙醇的浓度或加热的温度，调控丝蛋白分子由无规线团转变成为β-折叠结构的过程，使丝蛋白分子链组装成丝蛋白纳米微纤。本发明制备过程简单，环境友好，节能高效，得到的丝蛋白纳米微纤，其形貌和大小尺寸可以通过改变组装条件进行调控，并且可在溶液中长时间稳定存在，有利于后续制备成不同形式的材料，用于生物医用、分离等领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备过程简单，环境友好，节能高效的丝蛋白纳米微纤的制备方法。

本发明提出的丝蛋白纳米微纤的制备方法，是利用乙醇诱导或者加热诱导把丝蛋白分子组装成为纳米微纤结构，具体步骤如下：

（1）制备质量浓度为0.05~0.4%的丝蛋白溶液，搅拌下逐滴加入氢氧化钠，调节溶液pH至6~12；

（2）通过乙醇诱导或者加热诱导组装丝蛋白纳米微纤结构；其中：

通过乙醇诱导时，

搅拌下向步骤（1）所得溶液加入乙醇，得到乙醇质量浓度为2~30%的混合溶液；

将得到的混合溶液在室温下放置1~3天，即在溶液中得到的丝蛋白纳米微纤；

通过加热诱导时，

将步骤（1）所得的丝蛋白溶液在50~90°C温度下培养3~24个小时，即可在溶液中得到丝蛋白纳米微纤。

上述方法的具体操作步骤如下：

1. 一种通过低浓度乙醇诱导的制备方法：按照本领域研究人员知晓的方法，将天然蚕丝经过脱胶、溴化锂溶解、去离子水透析除去溴化锂等步骤获得质量浓度为3~4%的再生丝蛋白水溶液，然后用去离子水稀释得到质量浓度为0.05~0.4%的丝蛋白水溶液，并在搅拌下滴加氢氧化钠调节丝蛋白溶液pH至6~12，然后在轻微搅拌下逐渐加入乙醇，至乙醇质量浓度为2~50 %。将该溶液在室温下静置1~3天，即可制得分散均匀的丝蛋白纳米微纤水溶液。

2．一种通过加热诱导的制备方法：按照本领域研究人员知晓的方法，将天然蚕丝经过脱胶、溴化锂溶解、去离子水透析除去溴化锂等步骤获得质量浓度为3~4%的再生丝蛋白水溶液，然后用去离子水稀释得到质量浓度为0.05~0.4%的丝蛋白水溶液，并在搅拌下滴加氢氧化钠调节丝蛋白溶液pH至6~12，然后将该溶液置于50~90°C下进行轻微搅拌，培养3~24个小时，即可制得分散均匀的丝蛋白纳米微纤水溶液。

本发明利用乙醇或者加热方式把丝蛋白分子组装成为纳米微纤结构，无需外加其他有毒有害化学试剂，污染少；同时反应条件温和，无需苛刻条件，因此绿色节能环保。

所制备的丝蛋白纳米微纤直径小（2~50 nm）、长短可调（50 ~3,000 nm）、形貌可控（线型或枝化型）。利用乙醇诱导方法获得的丝蛋白纳米微纤为枝化型，利用加热诱导方法制备的丝蛋白纳米微纤为线型。

所制备的丝蛋白纳米微纤中丝蛋白的构象为反平行β-折叠，与天然动物丝中纳米微纤的构象一致。

所制备的丝蛋白纳米微纤在水溶液中稳定性好，放置半年仍保持良好的溶液状态，不会发生絮凝或凝胶现象。

所制备的丝蛋白纳米微纤以水溶液状态存在，可以非常容易地与其他各种有机、无机或高分子材料进行混合制备各类复合材料，因此具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为实例1中制备得到的丝蛋白纳米微纤的原子力显微镜图。标尺为500 nm。

图2为实例4中制备得到的丝蛋白纳米微纤的原子力显微镜图。标尺为500 nm。

具体实施方式

以下利用实施例进一步详细说明本发明，但不能认为是限定发明的范围。

实施例1：制备质量浓度约为3~4%的丝蛋白水溶液，用去离子水稀释到质量浓度为0.15%，在搅拌下滴加氢氧化钠调节丝蛋白溶液的pH至9，然后在轻微搅拌下逐渐加入乙醇，至乙醇质量浓度为 7%。将该溶液在室温下静置3天，即可观察到透明的丝蛋白溶液变为具有白色乳光的丝蛋白纳米微纤溶液。在此条件下得到的丝蛋白纳米微纤为枝化结构，其直径为5~10 nm，长度约为500~2,000 nm。

实施例2：制备质量浓度约为3~4%的蚕丝蛋白水溶液，用去离子水稀释到质量浓度为0.4%，在搅拌下滴加氢氧化钠调节丝蛋白溶液的pH至11.5，然后在轻微搅拌下逐渐加入乙醇，至乙醇质量浓度为 2%。将该溶液在室温下静置1天，即可观察到透明的丝蛋白溶液变为具有白色乳光的丝蛋白纳米微纤溶液。在此条件下得到的丝蛋白纳米微纤为枝化结构，其直径为30~50 nm，长度约为1,000~3,000 nm。

实施例3：制备质量浓度约为3~4%的蚕丝蛋白水溶液，用去离子水稀释到质量浓度为0.05%，不调节pH，然后在轻微搅拌下逐渐加入乙醇，至乙醇质量浓度为 30%。将该溶液在室温下静置3天，即可观察到透明的丝蛋白溶液变为具有白色乳光的丝蛋白纳米微纤溶液。在此条件下得到的丝蛋白纳米微纤为枝化结构，其直径为3~6 nm，长度约为100~300 nm。

实施例4：制备质量浓度约为3~4%的蚕丝蛋白水溶液，用去离子水稀释到质量浓度为0.1%，在搅拌下滴加氢氧化钠调节丝蛋白溶液pH至9，然后将溶液在70℃的水浴里加热6小时，即可观察到透明的丝蛋白溶液变为具有白色乳光的丝蛋白纳米微纤溶液。在此条件下得到的丝蛋白纳米微纤为线型，其直径为4~6 nm，长度为200~1,000 nm。

实施例5：制备质量浓度约为3~4%的蚕丝蛋白水溶液，用去离子水稀释到质量浓度为0.1%，在搅拌下滴加氢氧化钠调节丝蛋白溶液pH至11.8，然后将溶液在90℃的水浴里加热24小时，即可观察到透明的丝蛋白溶液变为具有白色乳光的丝蛋白纳米微纤溶液。在此条件下得到的丝蛋白纳米微纤为线型，其直径为4~6 nm，长度为50~100 nm。

Claims

1. 一种丝蛋白纳米微纤的制备方法，其特征在于利用乙醇诱导或者加热诱导把丝蛋白分子组装成为纳米微纤结构，具体步骤如下：

通过乙醇诱导时，

将得到的混合溶液在室温下放置1~3天，即在溶液中得到丝蛋白纳米微纤；

通过加热诱导时，

将步骤（1）所得的丝蛋白溶液在50~90℃温度下培养3~24个小时，即在溶液中得到丝蛋白纳米微纤。

2. 一种由权利要求1所述的制备方法得到的丝蛋白纳米微纤，其特征在于该丝蛋白纳米微纤直径为2~50 nm，长度为50 ~3000 nm，形貌为线型或枝化型；丝蛋白纳米微纤中丝蛋白的构象为反平行β-折叠。