西南大学夏庆友教授团队 Macromolecules：在家蚕和蜘蛛的泌丝行为影响丝纤维结构性能的研究中取得新进展

2023-02-21 来源：高分子科技

近日，西南大学生物学研究中心夏庆友教授团队在国际高分子科学TOP期刊Macromolecules（化学类/高分子科学类一区）上发表题为“Bending?Spinning Produces Silkworm and Spider Silk with Enhanced Mechanical Properties”（泌丝时的弯曲作用能增强蚕丝和蜘蛛丝的力学性能）的研究论文。该论文发现家蚕和蜘蛛在分泌丝纤维过程中新生丝纤维会发生一定弯曲角度的现象，并揭示了这种弯曲作用增强蚕丝和蜘蛛丝力学性能的分子机理。

地球上存在着成千上万种泌丝动物，其中以家蚕和蜘蛛最为著名，因为蚕丝和蜘蛛丝具有优良的力学性能和巨大的仿生应用潜力。泌丝行为可以影响丝纤维的结构和力学性能，家蚕和蜘蛛的自然泌丝行为会使新鲜分泌的丝纤维具有一定弯曲角度，然而一直未见关于这种弯曲作用是否影响新生丝纤维的结构和性能的报道。该研究首先通过建模和调查分析，发现家蚕吐丝结茧和蜘蛛泌丝过程中，新生丝纤维通过喷丝口后会立刻发生一定角度范围的弯曲，家蚕丝为70.23°-87.93°，蜘蛛丝为0°-50°。

图1 新生蚕丝弯度角度建模分析

图2 新生蜘蛛丝弯度角度调查分析

该研究进一步通过强拉丝实验来研究弯曲作用是否影响新生丝纤维的结构和性能。在强拉丝过程中，作者使新生丝纤维受到不同角度的弯曲作用（0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°、180°、270°、360°），接着利用DMA、FTIR、WAXD等技术分析了上述不同弯曲角度对新生丝纤维力学性能、二级结构、晶体结构的影响。

力学性能分析结果显示，新生蚕丝和蜘蛛丝的力学性能会随着弯曲角度(0°~ 360°)的增大出现先增大后减小的变化规律。并且，新生蚕丝力学性能最好的弯曲角度为67.5°~ 90°，新生蜘蛛丝为45°。新生蚕丝的自然弯曲角度(70.23°~ 87.93°)与最佳弯曲角度(67.5°~ 90°)大致重合；新生蜘蛛丝的最佳弯曲角度(45°)在自然弯曲角度(0°~ 50°)范围内。因此，作者认为新生丝纤维的弯曲作用能显著增强蚕丝和蜘蛛丝的结构和性能，并提出家蚕和蜘蛛等泌丝动物很可能根据高分子丝蛋白的固化特征进化出相应的泌丝器官和泌丝行为，以获得性能更佳的丝纤维，这有利于它们的生存繁衍。

图3 新生蚕丝被弯曲处理后的结构性能分析

结构分析表明，β-折叠结构、结晶度和晶粒尺寸随弯曲角度的增大而逐渐增大，取向度随弯曲角度的增大而逐渐减小。β-折叠结构和结晶度增大有利于丝纤维力学性能的增强，晶粒尺寸增大和取向度减小不利于丝纤维力学性能的增强。四种微观结构随弯曲角度的增大发生规律性变化揭示了新生丝纤维的力学性能先增大后减小的原因：弯曲处理新生丝纤维过程中，前期（弯曲角度小于某个值时）β-折叠结构和结晶度增加导致的力学性能增加起主导作用，后期（弯曲角度大于上述值时）晶粒尺寸增大和取向度降低造成的力学性能下降起主导作用，这两种相反的作用因素的综合作用最终导致丝纤维的强度、弹性模量和韧度等力学性能出现先增大后减小的变化现象。

此外，作者还探讨并揭示了弯曲行为影响蚕丝和蜘蛛丝等丝纤维的结构和性能的分子机理。

图4 弯曲对新生丝蛋白纤维结构和性能的影响。

西南大学前沿交叉学科研究院生物学研究中心博士后彭章川为论文第一作者，赵萍教授和夏庆友教授为通讯作者。该项目得到了国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金项目、中国博士后科学基金项目、重庆市自然科学基金博士后科学基金项目等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.2c00868

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（责任编辑：xu）

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