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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(xué)性能優(yōu)異、綠色無毒和生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于紡織服裝和醫(yī)學(xué)健康等領(lǐng)域。為了拓展蠶絲的應(yīng)用領(lǐng)域，增加蠶絲產(chǎn)品的競爭力，就必須對蠶絲纖維進(jìn)行改良或開發(fā)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(shè)計(jì)高性能絲纖維提供理論依據(jù)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(fā)育階段（一個(gè)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(xué)性能和二級結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)家蠶不同時(shí)期的絲在力學(xué)性能和二級結(jié)構(gòu)方面具有較大差異。某些時(shí)期的蠶絲具有超強(qiáng)的力學(xué)性能。

圖1. 家蠶生命周期和10個(gè)吐絲時(shí)期

  首先力學(xué)性能測量結(jié)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(qiáng)的力學(xué)性能。課題組從生物學(xué)功能上解釋了為什么幼齡絲的力學(xué)性能優(yōu)于熟蠶絲：在覓食、取食和移動(dòng)過程中，為了抵抗惡劣的自然環(huán)境（主要是風(fēng)吹以及其引起的震動(dòng)），幼蠶需要吐出力學(xué)性能非常優(yōu)異的幼齡絲來保證自身不會(huì)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(xué)性能更加優(yōu)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(fā)育關(guān)重要，所以幼齡絲具有優(yōu)異的力學(xué)性能。而對于熟蠶絲來說，數(shù)量眾多的熟蠶絲聚集在一起，其綜合力學(xué)性能足夠保護(hù)蠶蛹，所以不需要單跟熟蠶絲的力學(xué)性能也很優(yōu)異。接著課題組用ATR-FTIR和XRD技術(shù)研究了各個(gè)時(shí)期蠶絲的二級結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示較高的β-折疊結(jié)構(gòu)含量和合適結(jié)晶度是有利于增強(qiáng)蠶絲的力學(xué)性能，這為改造或者人工設(shè)計(jì)高性能絲蛋白纖維材料提供了新的參考。

圖2. (A) 各時(shí)期蠶絲形貌，(B) 各時(shí)期蠶絲力學(xué)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(shù)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(jié)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(gè)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(jìn)Fib-H蛋白形成更多β折疊結(jié)構(gòu)、連接大分子和增強(qiáng)分子網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性進(jìn)而增強(qiáng)4齡末絲力學(xué)性能的作用。這為改造蠶絲力學(xué)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(jié)構(gòu)模式圖，(A) 蠶絲纖維和原纖維結(jié)構(gòu)，(B) 繭絲納米原纖維結(jié)構(gòu)，(C)繭絲絲素小體結(jié)構(gòu)及其組裝，(D) 4齡末絲納米原纖維結(jié)構(gòu)

  以上相關(guān)成果發(fā)表在Biomacromolecules（2019）上。論文的第一作者為西南大學(xué)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