再生絲素（RSF）的水溶液被認為是生產各種絲蛋白基材料的原料，包括水凝膠、薄膜、棒和纖維等，具有顯著的力學性能。然而，RSF的水溶液在其基本性質上通常在幾天甚至幾個小時內是不穩(wěn)定的，因為RSF鏈的構象在水中會自發(fā)地從隨機線圈轉變?yōu)棣?片狀。在這項工作中，我們開發(fā)了一種優(yōu)化的噴霧干燥方法，通過在相對較低的溫度下快速干燥來收獲RSF粉末。結果表明，在粉末制備過程中，RSF鏈沒有發(fā)生嚴重的降解和構象轉變，RSF粉末在水中具有良好的溶解度和較長的室溫穩(wěn)定性。重要的是，由噴霧干燥RSF粉末（Sp-RSF）水溶液和新鮮RSF溶液制備的絲蛋白基材料的機械性能沒有明顯差異。事實上，這種蛋白質鏈以隨機線圈結構為主的無定形Sp-RSF粉末不僅有望成為各種應用中大規(guī)模絲蛋白基產品的原料，而且為通過絲素蛋白的非傳統(tǒng)加工制備塊狀絲蛋白材料提供了基礎。比如借助熱量和濕氣進行成型。
研究內容
Sp-RSF粉末呈球狀，可溶于水(圖1a)。相比之下，商業(yè)SF粉，化妝品的一種成分，是棒狀的，不溶性(圖1b)。由圖1c可知，Sp-RSF粉末中SF的優(yōu)勢構象為隨機線圈狀，而在商業(yè)SF粉末中則為β-片狀。XRD數據(圖1d)顯示，Sp-RSF粉末無結晶峰，而商用SF粉末在20.1°左右出現尖峰，為Silk II型結晶結構。
圖1 Sp-RSF粉體的制備與表征。(a) Sp-RSF粉末和(b)商用SF粉末的照片、SEM圖像和在水中的溶解度(過濾前)。(c) Sp-RSF粉末和商用SF粉末的FTIR光譜。(d) Sp-RSF粉和商用SF粉的XRD數據。
圖2所示。Sp-RSF樣品在高角頻率下的存儲模量(G′)和損耗模量(G′′)略低于前者。Aq-RSF樣品計算得到Aq-RSF的重均分子量(Mw)約為90 kDa；計算得到Sp-RSF的重均分子量（Mw）約為85kDa。結果表明，優(yōu)化后的噴霧干燥方法對HMWRSF（絲素蛋白溶液）沒有發(fā)生嚴重的降解。
圖2 30°C 時10 wt% Aq-RSF/AmimCl 溶液和 Sp-RSF/AmimCl 溶液的存儲模量和損耗模量G'和 G''隨頻率的變化而變化。這些線是基于Rouse模型的理論曲線，并結合了分子量的高斯分布。
為了證明Sp-RSF粉末形成SF基材料的能力。通過溶解Sp-RSF粉末，制備了Sp-RSF基薄膜、水凝膠和固體。Sp-RSF基材料的力學性能及破壞過程與由新鮮 HMWRSF 水溶液制成的基于Aq-RSF 的材料相似（圖3）。
圖3 Aq-RSF 和 Sp-RSF 基材料的機械性能。（a） RSF 薄膜在 75%RH 下拉伸試驗下的應力-應變曲線。（b） RSF 水凝膠在拉伸試驗下的應力-應變曲線。（c） RSF 水凝膠在壓縮試驗下的應力-應變曲線。（d） RSF 固體在壓縮試驗下的應力-應變曲線。
圖4通過6個月的時間評估Sp-RSF粉的長期穩(wěn)定性。對于新鮮的HMWRSF溶液，通常在室溫下兩周內發(fā)生溶膠-凝膠轉變。HMWRSF的交聯(lián)是由RSF鏈之間的聚集和β-折疊形成引起的，提高儲存溫度可以加速這一過程。因此，新鮮的HMWRSF溶液通常儲存在4°C。然而，由于低含水量限制了RSF鏈的流動性，Sp-RSF粉末限制β-折疊的形成。從FTIR光譜(圖4a)和XRD數據(圖4b)可以看出，在室溫下存放6個月后，粉末中的Sp-RSF仍然保持了非晶結構。
圖4 Sp-RSF粉末制備和儲存6個月的比較證明了Sp-RSF粉末的長期穩(wěn)定性。（a）Sp-RSF粉末的FTIR光譜。（b）Sp-RSF粉末的XRD數據。（c）Sp-RSF 水凝膠在拉伸試驗下的應力-應變曲線。（d）Sp-RSF水凝膠在壓縮試驗下的應力-應變曲線。
在干燥狀態(tài)（含水量：5 wt%）和濕態(tài)（含水量：15 wt%）下通過熱成型Sp-RSF粉末制備了蠶絲板。Sp-RSF粉末裝入在預先設計的鋼模中，然后在200MPa下致密化成厚度約為1mm的板。板顏色和透明度的視覺過渡表明粉末的融合和微觀尺度的結構變化（圖 5a-5b）。結合橫截面SEM圖像，發(fā)現干燥的Sp-RSF粉末的完全熔化發(fā)生在150°C 時，而濕的Sp-RSF粉末的完全熔化發(fā)生在60°C時。粉末中較高的含水量有利于粉末的熔化和在較低溫度下形成均勻的塊狀材料。
通過ATR-FTIR光譜研究了干燥的Sp-RSF粉末（圖5c）和濕的Sp-RSF粉末（圖5d）板中RSF的構象。隨著成型溫度的升高，酰胺I帶從1648-1cm移動到1620-1cm，表明RSF的主要構象從無規(guī)卷曲轉變?yōu)棣?折疊。典型的β-折疊結構出現在150°C下成型的干燥Sp-RSF粉末和在60°C下成型的Sp-RSF粉末中。隨著成型溫度的升高，在干燥狀態(tài)（圖5e）和濕態(tài)（圖5d）下成型的蠶絲板的結晶呈現出不同的趨勢。Silk I和II是絲素蛋白的兩種眾所周知的晶體結構。Silk I 的主衍射峰在 12.0°、19.8° 和 24.5°，Silk II 的主衍射峰在 9.0° 和 20.6°。對于干燥的Sp-RSF粉末，在較低溫度（30°C、60°C、90°C）下成型時，在蠶絲板中形成的晶體結構較少，而在較高溫度（120 °C、150 °C）下成型時形成典型的Silk II結構。對于濕Sp-RSF粉末，在較低溫度（30 °C、60 °C、90 °C）下成型時形成典型的Silk I結構，而Silk I和II在較高溫度（120 °C、150 °C）下成型時共存。
圖5 Sp-RSF 粉末的成型。由（a）干Sp-RSF粉末和（b）濕 Sp-RSF 粉末制備的絲綢板的照片和橫截面 SEM 圖像。由（c）干燥的Sp-RSF 粉末和（d） 濕的 Sp-RSF 粉末制備的絲綢板的 ATR-FTIR 光譜。由（e）干Sp-RSF粉末和（f）濕Sp-RSF 粉末制備的絲板的XRD數據。干或濕Sp-RSF 粉末在不同溫度下成型：30 °C （D/W30）、60 °C （D/W60）、90 °C （D/W90）、120 °C （D/W120） 和 150 °C （D/W150）。
TMDSC（圖6a）能將總熱流分為可逆熱流和非可逆熱流，因此高能量水蒸發(fā)不能掩蓋RSF的轉變。對于干燥Sp-RSF粉末，反轉信號有兩種變化。第一種是在90℃左右脫水后從無定形結構轉化為silk II結晶的結果。第二個是SF在180°C左右的本征玻璃化轉變。對于濕Sp-RSF粉末，反轉信號也有兩種變化。第一個是RSF在25℃左右的水塑化玻璃化轉變。第二種是在90℃左右脫水后從silk Ⅰ轉化為silk Ⅱ的結果。
圖6（a）干燥的Sp-RSF粉末和潮濕的Sp-RSF粉末的TMDSC的反向熱流曲線。（b）由濕Sp-RSF粉末制備的蠶絲板在不同溫度（30°C/W30、60°C/W60、90°C/W90、120°C/W120 和150°C/W150）和不同濕度（75% RH、85% RH、92% RH）下的機械性能。
結論
在這項研究中，報道了通過專門的噴霧干燥方法實現的高分子量可溶性和穩(wěn)定的Sp-RSF粉末。我們發(fā)現水-蛋白質關系對Sp-RSF粉末的制備和加工至關重要。在制備過程中，低溫下的快速水分蒸發(fā)限制了SF的構象轉變和降解。Sp-RSF鏈在干燥狀態(tài)下的低遷移率也賦予了Sp-RSF粉末長期穩(wěn)定性。在加工中，材料制造的先決條件是增強Sp-RSF的流動性。除了溶解之外，還展示了一種水輔助成型方法來制造蠶絲板。水分的引入促進了Sp-RSF的流動性和粉末在低成型溫度下的熔融。與熱成型方法相比，我們的方法減輕了絲素蛋白熱降解對生物相容性的潛在風險。本研究可為基于水和Sp-RSF粉末組合的新方法的開發(fā)提供指導。我們相信，從新源材料和新加工方法的角度來看，Sp-RSF粉末可能有助于蠶絲基材料邁入新階段。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.giant.2024.100313
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