CN112695400A - 一种可大规模制备的蛋白质纤维及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可大规模制备的蛋白质纤维及其应用，该蛋白质纤维大规模制备的方法为：将蛋白质、三(2‑羧乙基)膦盐酸盐水溶液、纺丝溶剂均匀混合后使蛋白质链解折叠形成纺丝溶液；该纺丝溶液在注射泵推动力下从喷丝口挤入凝固浴中组装成大量类淀粉样结构的初生蛋白质纤维，其经拉伸、干燥后形成力学性能优异的蛋白质纤维。该制备方法也可生产出蛋白质中空纤维用于细胞培养。此外，初生蛋白质纤维浸泡在氧化石墨烯分散液中，拉伸干燥后放置三(2‑羧乙基)膦盐酸盐水溶液还原得到稳定的导电蛋白质纤维，即使在反复超声清洗、3M胶带撕拉作用下其导电性也没有改变。且该导电蛋白质纤维可实时监测应力作用和温湿度变化，有可穿戴智能织物的潜在用途。

Description

一种可大规模制备的蛋白质纤维及其应用

技术领域

本发明属于天然高分子材料技术领域，具体涉及到一种可大规模制备的蛋白质纤维及其应用。

背景技术

随着人类对美好生活的追求，智能纤维已经是颇受欢迎。“节约能源，保护环境”呼声亦是愈来愈强烈，渐趋匮乏的石油原料和难降解的弊端局部限制合成纤维的发展。于是发展再生天然纤维或者使用天然材料制备纤维吸引了众多研究者的兴趣。但是力学性能优异的蜘蛛丝至今仍然没法大量获取。即使已经有研究者开发出再生蚕丝，但其复杂的制备过程总是耗时耗力、成本高昂，并且再生蚕丝的力学性能远不及天然蚕丝。一些毛发类纤维通常混合或者接枝大量高聚物，这就使得此类纤维大大失去了纯蛋白质的优越性。因此，非常有必要寻找一些廉价易得的蛋白质，去简单而又大量地制备纯蛋白质纤维。这样的蛋白质纤维既能保持杰出的力学性能，还能容易形成功能纤维应用于先进纺织领域和生物领域。

发明内容

本发明的目的在于针对现有蛋白质纤维存在制备方法复杂和效率低、力学性能弱、功能单一的问题，提供一种将蛋白质快速类淀粉样的转变和湿法纺丝结合，可快速、高效、大规模快速制备的多功能蛋白质纤维，并为所述蛋白质纤维提供新的用途。另外，本发明还提供了一种导电蛋白质纤维，以及该导电蛋白质纤维的用途。

针对上述目的，本发明可大规模制备的蛋白质纤维由下述方法制备得到：

1、将蛋白质、三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液、纺丝溶剂混合后在20～60℃下反应0.5～24小时，使蛋白质链发生解折叠，得到纺丝溶液。

2、在注射泵的推动力下，将步骤1中的纺丝溶液从喷丝口挤出进入凝固浴中，大规模获得具有类淀粉样结构的初生蛋白质纤维。

3、将步骤2中的初生蛋白质纤维拉伸、干燥后形成大量细长的蛋白质纤维。

上述步骤1中，所述的蛋白质为牛血清白蛋白、溶菌酶、乳铁蛋白、人血清白蛋白、α-乳白蛋白、乳清蛋白、胰岛素、大豆蛋白、玉米醇溶蛋白中任意一种或多种；所述的纺丝溶剂为三氟乙醇、六氟异丙醇、质量分数为50％～70％的尿素水溶液、质量分数为40％～70％的盐酸胍水溶液、质量分数为40～60％的溴化锂水溶液中任意一种；所述的凝固浴为水、乙醇、丙酮中任意一种。

上述步骤1中，优选所述蛋白质与三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液、纺丝溶剂的配比为0.5～1.3g:0.5～2mL:3mL；其中，所述三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液的浓度为200～600mmol/L、用5mol/L氢氧化钠调节pH值为4～10。

上述步骤2中，所述喷丝口的直径为0.21～0.61mm，并由注射泵控制挤出流量为0.5～3mL/min。

上述步骤2中，进一步优选所述喷丝口是同轴型，其内径为0.21～0.55mm、外径为0.45～1.25mm；壳层通入纺丝溶液，芯层通入10～30mg/mL聚乙烯醇水溶液，设置壳层和芯层挤出流量为1～2mL/min。

上述的步骤2中，所述喷丝口是同轴型时，获得的是蛋白质中空纤维，该蛋白蛋白质中空纤维可用于细胞培养和分子分离。

本发明的导电蛋白质纤维是：将上述的初生蛋白质纤维在氧化石墨烯水溶液中浸泡10～30分钟，拉伸、干燥后再泡入三(2-羧乙基)膦盐酸水溶液中还原，清洗、拉伸、干燥后，即形成稳定的导电蛋白质纤维。

上述导电蛋白质纤维的中，优选所述氧化石墨烯水溶液的浓度为10～30mg/mL，三(2-羧乙基)膦盐酸水溶液的浓度为200～600mmol/L、pH值为4～10，还原的温度为20～90℃。

本发明导电蛋白质纤维在传感器中应用，所述的传感器为应力传感器、温度传感器或湿度传感器。

本发明的有益效果如下：

1、本发明制备工艺简单，条件温和，可控性好，快速将难以成纤维的廉价蛋白质大规模地纺成纤维。

2、本发明的蛋白质纤维具有优异的力学性能，可媲美一些天然蚕丝的杨氏模量和断裂强度，能进一步编织成网状物。

3、本发明纺丝方法还可以制备出蛋白质中空纤维，具有多孔结构特点，可用于细胞培养，拥有良好的生物相容性。

4、与复合导电纤维相比，本发明的蛋白质纤维具有淀粉样结构，可以不用中间粘合剂，直接稳定结合还原氧化石墨烯形成稳定导电蛋白质纤维。

5、本发明的导电蛋白质纤维可用于制备应力、温度、湿度传感器。

附图说明

图1是实施例1中拉伸干燥后的蛋白质纤维的光学照片。

图2是实施例1中蛋白质纤维和原料牛血清白蛋白的红外光谱对比。

图3是实施例1中蛋白质纤维的扫描电子显微镜照片，其中a是表面，b是断面。

图4是实施例1中不同拉伸倍数之后的蛋白质纤维的应力-应变曲线。

图5是实施例1中3.3倍拉伸后干燥处理前后蛋白质纤维的应力-应变曲线。

图6是实施例1中蛋白质纤维编织的网格可承受1kg砝码的光学照片。

图7是实施例1中蛋白质纤维在不同浓度的交联剂中浸泡定型干燥后形成水响应形状记忆纤维的变形和回复过程，其中a、b、c、d依次是质量浓度0％、1％、3％、5％的戊二醛水溶液交联定型后的纤维。

图8是实施例12中蛋白质中空纤维的扫描电子显微镜照片，其中a是表面，b是断面。

图9是实施例13中蛋白质中空纤维培养细胞的繁殖情况随培养时间变化的扫描电子显微镜照片，其中a是10分钟，b是12小时，c是24小时。

图10是实施例15中导电蛋白质纤维的扫描电子显微镜照片，其中a是表面，b是断面。

图11是实施例15中导电蛋白质纤维单位电阻在超声波清洗与3M胶带撕拉处理前后的变化。

图12是实施例16中一束导电蛋白纤维在交替应力作用下电流随时间的变化关系。

图13是实施例16中一束导电蛋白纤维在循环升降温过程中电流随时间的变化关系。

图14是实施例16中一束导电蛋白纤维电阻随相对湿度的变化关系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但发明的保护范围不仅限于这些实施例。

实施例1

1.将1.25g牛血清白蛋白、2mL 500mmol/L pH＝5的三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液、3mL三氟乙醇混合后，在25℃下反应30分钟使蛋白质链发生解折叠，得到纺丝溶液。

2.在注射泵的推动力下，将步骤1中的纺丝溶液从喷丝口挤入水中，大规模获得具有类淀粉样结构的初生蛋白质纤维；其中喷丝口的直径为0.21mm、设置挤出流量为1mL/min。

3.取步骤2中的初生蛋白质纤维拉伸3倍，干燥后得到大量细长的宏观蛋白质纤维(见图1)。从图2的红外光谱数据可以得知，牛血清白蛋白质粉末的结构以α螺旋为主，形成的蛋白质纤维结构中β折叠明显增多，这证明从粉末原料到纤维的过程中发生了类淀粉样转变。从图3的扫描电子显微镜照片可以看出，此蛋白质纤维具有光滑的表面形貌和密实的断面结构。

上述初生蛋白质纤维拉伸不同倍数干燥后可以得到不同力学性能的纤维。从图4的应力-应变曲线可以看出：随着拉伸倍数的增加，纤维的力学性能发生了从软而弱到强而韧的变化。这是因为拉伸过程，蛋白质分子链取向排列变多，孔隙缺陷变少，结构更加密实。对3.3倍拉伸后的纤维进行热干燥定型处理，断裂强度可以从230MPa增加到260MPa(见图5)，杨氏模量从4.5GPa增加到6.3GPa，该力学性能可媲美天然蚕丝，这是因为除去水分可以降低分子链之间的滑移，增强了链之间的作用力。

使用10根拉伸3倍干燥后的纤维编织一个二维网格镶嵌在聚氨酯的泡沫框架中，该网格可以承受1kg的砝码(如图6)，充分证明所得蛋白质纤维具有优异的力学性能以及柔韧的编织性能。

将绷直的蛋白质纤维浸泡在质量浓度为0％、1％、3％、5％的戊二醛水溶液中30分钟，干燥后得到水响应形状记忆纤维。其湿态在外力作用下弯折45°定型后和再次遇水回复的过程如图7所示，可见交联剂浓度越高，形状记忆能力越好。

实施例2

1.将1.00g牛血清白蛋白、2mL 500mmol/L pH＝5的三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液、3mL三氟乙醇混合后，在25℃下反应30分钟使蛋白质链发生解折叠，得到纺丝溶液。

2.在注射泵的推动力下，将步骤1中的纺丝溶液从喷丝口挤入水中，大规模获得具有类淀粉样结构的初生蛋白质纤维；其中喷丝口的直径为0.51mm、设置挤出流量为1mL/min。

3.取步骤2中的初生蛋白质纤维拉伸3倍，干燥后得到大量细长的宏观蛋白质纤维。经测试，其断裂强度为142±17MPa，杨氏模量为2.9±0.5GPa，韧性为58±12MJ/m³。

实施例3

本实施例的步骤1中，将1.25g牛血清白蛋白、1mL 500mmol/L pH＝4的三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液、4mL三氟乙醇混合后，在25℃下反应30分钟使蛋白质链发生解折叠，得到纺丝溶液。其他步骤与实施例2相同，得到大量细长的宏观蛋白质纤维。经测试，其断裂强度为169±18MPa，杨氏模量为2.8±0.6GPa，韧性为53±13MJ/m³。

实施例4

本实施例的步骤1中，将0.5g溶菌酶、0.5mL 500mmol/L pH＝5的三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液、3mL三氟乙醇混合后，在25℃下反应30分钟使蛋白质链发生解折叠，得到纺丝溶液。步骤2与实施例2相同。步骤3中，取步骤2中的初生蛋白质纤维拉伸2倍，干燥后得到大量细长的宏观蛋白质纤维。经测试，其断裂强度为11±6MPa。

实施例5

本实施例的步骤1中，将0.8g乳铁蛋白、1mL 500mmol/L pH＝5的三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液、3mL三氟乙醇混合后，在25℃下反应30分钟使蛋白质链发生解折叠，得到纺丝溶液。其他步骤与实施例2相同，得到大量细长的宏观蛋白质纤维。经测试，其断裂强度为96±15MPa，杨氏模量为1.1±0.5GPa，韧性为19±9MJ/m³。

实施例6

本实施例的步骤1中，将1.0g人血清白蛋白、1.5mL 500mmol/L pH＝5的三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液、3mL三氟乙醇混合后，在25℃下反应30分钟使蛋白质链发生解折叠，得到纺丝溶液。其他步骤与实施例2相同，得到大量细长的宏观蛋白质纤维。经测试，其断裂强度为102±17MPa，杨氏模量为2.3±0.5GPa，韧性为27±13MJ/m³。

实施例7

本实施例中，在注射泵的推动力下，将步骤1中的纺丝溶液从喷丝口挤入无水乙醇中，初生蛋白质纤维拉伸1.5倍，其他步骤与实施例1相同，得到蛋白质纤维，其断裂强度为23±9MPa。

实施例8

本实施例的步骤1中，将1.00g牛血清白蛋白、1mL 500mmol/L pH＝5的三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液、3mL质量分数为50％的盐酸胍水溶液混合后，在25℃下反应3小时使蛋白质链发生解折叠，得到纺丝溶液。步骤2与实施例1相同。步骤3中，取步骤2中的初生蛋白质纤维拉伸3倍，干燥后得到大量细长的宏观蛋白质纤维。经测试，其断裂强度为182±18MPa，杨氏模量为3.1±0.6GPa，韧性为68±16MJ/m³。

实施例9

本实施例的步骤1中，将0.7gα-乳白蛋白、1mL 500mmol/L pH＝5的三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液、3mL六氟异丙醇混合后，在25℃下反应30分钟使蛋白质链发生解折叠，得到纺丝溶液。步骤2与实施例1相同。步骤3中，取步骤2中的初生蛋白质纤维拉伸1.5倍，干燥后得到大量细长的宏观蛋白质纤维。经测试，其断裂强度为19±8MPa。

实施例10

本实施例的步骤1中，将0.5g胰岛素、0.5mL 200mmol/L pH＝7的三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液、3mL质量分数为50％的尿素水溶液混合后，在25℃下反应2小时使蛋白质链发生解折叠，得到纺丝溶液。步骤2与实施例1相同。步骤3中，取步骤2中的初生蛋白质纤维拉伸1倍，干燥后得到大量细长的宏观蛋白质纤维。

实施例11

本实施例的步骤1中，将0.8g玉米醇溶蛋白、1mL 200mmol/L pH＝5的三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液、3mL六氟异丙醇混合后，在25℃下反应3小时使蛋白质链发生解折叠，得到纺丝溶液。步骤2与实施例1相同。步骤3中，取步骤2中的初生蛋白质纤维拉伸1倍，干燥后得到大量细长的宏观蛋白质纤维。经测试，其断裂强度为13±7MPa。

实施例12

1、将1.15g牛血清白蛋白质、2mL 500mmol/L pH＝5的三(2-羧乙基)膦盐酸水溶液、3mL三氟乙醇混合后，在25℃下反应30分钟使蛋白质链发生解折叠，得到纺丝溶液。

2、在注射泵的推动力下，将步骤1中的纺丝溶液和10mg/mL聚乙烯醇1788水溶液分别从同轴型喷丝口的壳层和芯层挤出进入水中形成初生蛋白质中空纤维。其中同轴型喷丝口内径为0.45mm、外径为0.85mm，设置壳层和芯层的挤出流量均为1mL/min。

3、将步骤2中的初生蛋白质中空纤维拉伸、干燥后形成大量细长的蛋白质中空纤维。从图8可以看出蛋白质中空纤维由多孔结构组成，内外壁由指状孔连通。

实施例13

实施例12的蛋白质中空纤维在细胞培养中的应用

将蛋白质中空纤维高温高压(121℃，101kPa)灭菌后，将酵母细胞培养液注入该纤维的空腔，然后放入崭新的YPD培养基中隔段时间观察繁殖情况。图9的电子显微镜照片展示出酵母细胞可以在中空纤维里繁殖，随着培养时间的增加，酵母的繁殖量逐渐增多，最终长满纤维内腔。

实施例14

实施例12的蛋白质中空纤维在分子分离中的应用

用环氧树脂胶将一束(约20根，15cm长)蛋白质中空纤维的两端完全封锁，再用剪刀裁剪其中一端使纤维截面露出。将这束纤维置于300mL流动的超纯水中，裁剪截面那端露在水外面。将混合溶液(3mg/mL的BSA和1mg/mL的罗丹明B等体积混合)从露在水外面的端口注入。三分钟内发现超纯水颜色先变红再变淡，中空纤维里混合液颜色变淡。从开始每隔两分钟用紫外测试纤维里面混合液的吸光度，发现蛋白质的吸收峰强度没有明显减小。这说明了蛋白质中空纤维具有分离不同尺寸大小分子的功能。

实施例15

将实施例1步骤2中得到的初生蛋白质纤维在10mg/mL氧化石墨烯水溶液中浸泡10分钟，拉伸2倍、干燥后，再泡入500mmol/L pH＝5的三(2-羧乙基)膦盐酸水溶液中，在90℃下反应10小时使氧化石墨烯还原，冲洗干燥后，形成稳定的导电蛋白质纤维。从图10的扫描电子显微镜结果可以看出，该导电蛋白质纤维表面有致密的还原氧化石墨烯层，中间核层是蛋白质纤维。从图11可以看出该导电蛋白质纤维经过超声波清洗处理和反复的3M胶带撕拉之后，单位长度电阻与处理之前基本保持不变。此数据说明了此蛋白质纤维在拉伸前可以稳定结合氧化石墨烯，不需要中间粘合剂，这是因为初生蛋白质纤维所含的淀粉样结构本身具有超强的粘附能力。

实施例16

实施例15的导电蛋白质纤维在传感器中应用

取6根实施例15中的导电蛋白质纤维组成一束导电丝，形成传感部件。

上述传感部件在施加和释放拉伸应力作用过程中，同时用电化学工作站测试其电流变化。从图12的电流-时间曲线可以得知：当给传感器逐渐施加拉伸应力时，其电流缓慢增大；当逐渐释放应力到零时，其电流又可以缓慢减小到初始值。800多次应力循环测试，其电流一直保持稳定的可逆变化。

将上述传感部件放入交替升降温度的环境箱中，同时用电化学工作站测试其电流变化。从图13的电流-时间曲线可以得知：当温度从35℃升到60℃时，其电流缓慢增大；当开始降温到36℃时，其电流又及时的降低下来，展现出此传感器的导电性随温度可逆变化。

将上述传感部件、万用电表、盛有饱和盐水溶液的烧杯、湿度检测计，同时放入一个容器中，通过该体系的封闭程度来控制相对湿度大小。从图14的电阻-相对湿度的变化关系可以得知：当此传感器周围相对湿度从48.5％增加到86.1％时，其电阻逐渐下降。当相对湿度开始下降到47.5％时，其电阻又逐渐上升，展现出此传感器的导电性随湿度可逆变化。

由上述可见，本发明的初生蛋白质纤维可以直接粘合氧化石墨烯，拉伸还原后形成导电蛋白质纤维，可以用作纤维传感器去检测外力作用、温湿度变化。

Claims (10)

1.一种可大规模制备的蛋白质纤维，其特征在于所述蛋白质纤维由下述方法制备得到：

(1)将蛋白质、三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液、纺丝溶剂混合后在20～60℃下反应0.5～24小时，使蛋白质链发生解折叠，得到纺丝溶液；

(2)在注射泵的推动力下，将步骤(1)中的纺丝溶液从喷丝口挤出进入凝固浴中，大规模获得具有类淀粉样结构的初生蛋白质纤维；

(3)将步骤(2)中的初生蛋白质纤维拉伸、干燥后形成大量细长的蛋白质纤维。

2.根据权利要求1所述的蛋白质纤维，其特征在于：步骤(1)中，所述的蛋白质为牛血清白蛋白、溶菌酶、乳铁蛋白、人血清白蛋白、α-乳白蛋白、乳清蛋白、胰岛素、大豆蛋白、玉米醇溶蛋白中任意一种或多种。

3.根据权利要求1所述的蛋白质纤维，其特征在于：步骤(1)中，所述的纺丝溶剂为三氟乙醇、六氟异丙醇、质量分数为50％～70％的尿素水溶液、质量分数为40％～70％的盐酸胍水溶液、质量分数为40～60％的溴化锂水溶液中任意一种；所述的凝固浴为水、乙醇、丙酮中任意一种。

4.根据权利要求1所述的蛋白质纤维，其特征在于：步骤(1)中，所述蛋白质与三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液、纺丝溶剂的配比为0.5～1.3g:0.5～2mL:3mL；其中，所述三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液的浓度为200～600mmol/L、用5mol/L氢氧化钠调节pH值为4～10。

5.根据权利要求1所述的蛋白质纤维，其特征在于：步骤(2)中，所述喷丝口的直径为0.21～0.61mm，并由注射泵控制挤出流量为0.5～3mL/min。

6.根据权利要求1所述的蛋白质纤维，其特征在于：步骤(2)中，所述喷丝口是同轴型，其内径为0.21～0.55mm、外径为0.45～1.25mm；壳层通入纺丝溶液，芯层通入10～30mg/mL聚乙烯醇水溶液，设置壳层和芯层挤出流量为1～2mL/min。

7.权利要求6所述的蛋白质纤维在细胞培养和分子分离中的应用。

8.一种导电蛋白质纤维，其特征在于：将权利要求1所述的初生蛋白质纤维在氧化石墨烯水溶液中浸泡10～30分钟，拉伸、干燥后再泡入三(2-羧乙基)膦盐酸水溶液中还原；清洗、拉伸、干燥后，即形成稳定的导电蛋白质纤维。

9.根据权利要求8所述的导电蛋白质纤维，其特征在于：所述氧化石墨烯水溶液的浓度为10～30mg/mL，三(2-羧乙基)膦盐酸水溶液的浓度为200～600mmol/L、pH值为4～10，还原的温度为20～90℃。

10.权利要求8所述的导电蛋白质纤维在传感器中应用，所述的传感器为应力传感器、温度传感器或湿度传感器。

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