阅读说明：本技术 纳米颗粒功能化人工蜘蛛丝的制备方法及应用 (Preparation method and application of nanoparticle functionalized artificial spider silk ) 是由 钱志刚 程俊燕 夏小霞 胡春飞 于 2021-08-06 设计创作，主要内容包括：一种纳米颗粒功能化人工蜘蛛丝的制备方法及应用,以初生人工蜘蛛丝为模板,通过化学反应原位制备纳米颗粒实现蜘蛛丝纳米功能化,具体为：将重组蜘蛛丝蛋白初生纤维在离子溶液中浸泡处理,通过离子与初生纤维中蛋白分子链预先结合,形成了纳米颗粒成核的位点；再采用复合离子溶液浸泡,在人工蜘蛛丝内部原位合成均匀分散且颗粒大小均一的纳米颗粒。本发明制备方法简便,生产得到的复合纤维中含有粒径较小且分散均匀的纳米颗粒,通过纳米功能化能够进一步提升纤维力学性质,使其韧性超越天然蜘蛛牵引丝；同时,经过多次水洗干燥,该复合纤维的功能性质几乎没有受到影响并可以在纤维内部制备不同种类的纳米颗粒,以满足人们在不同场景下对纤维材料的需求。(A preparation method and application of nanoparticle functionalized artificial spider silk, which takes nascent artificial spider silk as a template and prepares nanoparticles in situ through chemical reaction to realize nanometer functionalization of spider silk, specifically comprises the following steps: soaking the recombinant spider silk protein nascent fiber in an ion solution, and pre-combining ions and protein molecular chains in the nascent fiber to form a nanoparticle nucleation site; and soaking the artificial spider silk by adopting a composite ion solution, and synthesizing nano particles which are uniformly dispersed and have uniform particle sizes in situ in the artificial spider silk. The preparation method is simple and convenient, the produced composite fiber contains nano-particles with smaller particle size and uniform dispersion, and the mechanical property of the fiber can be further improved through nano-functionalization, so that the toughness of the fiber exceeds that of a natural spider dragline; meanwhile, through multiple times of washing and drying, the functional properties of the composite fiber are hardly influenced, and different types of nano-particles can be prepared inside the fiber, so that the requirements of people on fiber materials in different scenes are met.)

纳米颗粒功能化人工蜘蛛丝的制备方法及应用

技术领域

本发明涉及的是一种高分子生物材料领域的技术，具体是一种纳米颗粒功能化人工蜘蛛丝的制备方法及应用。

背景技术

蜘蛛丝具有强度高，韧性好的特性，因而受到研究人员的高度关注，然而，目前所获得的人工蛛丝功能还较为单一，因此，对其进行功能化是拓展其应用的重要手段。纳米颗粒因粒径较小，功能性质独特。因而被广泛用于功能化材料的制备中。现有的蜘蛛丝纳米功能化方法主要有两种，一种是在蜘蛛丝蛋白溶液中添加功能化纳米颗粒，进而纺丝；另一种是直接在所纺纤维表面涂层进行功能化。但是，这两种方法自身都存在着难以解决的问题。将蛋白纺丝溶液与纳米颗粒预先混合后，再进行纺丝，其存在的问题是纳米颗粒不易在高浓度纺丝溶液中混合及分散均匀，使其添加的纳米颗粒粒径分布难以控制且含量受到限制，从而导致功能化效果较弱并且难以进一步提升。而通过直接浸泡含有纳米颗粒的分散溶液进行纤维纳米功能化时，纳米颗粒难以进入到纤维内部，使其多分布于纤维表面，且易形成大的聚集体，导致处理后纤维中的纳米颗粒难以发挥其独特的功能性质。另外，通过此方法制备的纳米涂层易遭受环境的破坏而导致复合纤维功能下降。综上，现有的蜘蛛丝纳米功能化存在的主要问题是纳米材料难以进入到纤维的内部，且不易在纤维内部以较小的尺寸分散均匀，从而导致复合纤维功能性质较弱且不耐用，从而在实际应用中受到限制。

发明内容

本发明针对现有技术获得的纤维功能单一，不具有光热转化、荧光、抗菌和/或抗紫外等多种功能性质且韧性无法满足工业需要的不足，提出一种纳米颗粒功能化人工蜘蛛丝的制备方法及应用，制备方法简便，生产得到的复合纤维中含有粒径较小且分散均匀的纳米颗粒，通过纳米功能化能够进一步提升纤维力学性质，使其韧性超越天然蜘蛛牵引丝；同时，经过多次水洗干燥，该复合纤维的功能性质几乎没有受到影响。另外，采用此方法可以在纤维内部制备不同种类的纳米颗粒，以满足人们在不同场景下对纤维材料的需求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种纳米颗粒功能化人工蜘蛛丝的制备方法，以初生人工蜘蛛丝为模板，通过化学反应原位制备纳米颗粒实现蜘蛛丝纳米功能化，具体为：将重组蜘蛛丝蛋白初生纤维在离子溶液中浸泡处理，通过离子与初生纤维中蛋白分子链预先结合，形成了纳米颗粒成核的位点；再采用复合离子溶液浸泡，在人工蜘蛛丝内部原位合成均匀分散且颗粒大小均一的纳米颗粒。

所述的初生人工蜘蛛丝是指：利用基因工程蛛丝蛋白溶液通过静电纺丝、湿法或干法纺丝的方式使蛋白固化获得的纤维。

所述的原位制备纳米颗粒是指：通过纤维在两种或多种反应物溶液中分步浸泡处理的方式，使化学反应在人工蜘蛛丝内部发生，从而生成纳米颗粒的过程。

本发明涉及上述方法制备得到的一类纳米颗粒功能化的人工蜘蛛丝，其内部含有分布均匀、粒径均一的纳米颗粒，其尺寸小于50nm，功能化的纤维分别具有光热转化、荧光、抗菌和/或抗紫外等功能性质，且力学性能优异。

所述的复合离子溶液包括：浓度为0.3-10mM的用于形成纳米颗粒成核的位点的含有金属离子的水溶液，以及浓度为0.3-30mM的用于发生化学反应并在纤维内部合成纳米颗粒的钠盐水溶液或有机溶液，或L-抗坏血酸水溶液或有机溶液，或硫脲的水溶液或有机溶液。

所述的浸泡是指：在室温下浸泡于含有金属离子的水溶液中2-24h，使离子进入到纤维内部并与蛋白发生相互作用，以形成纳米颗粒成核的位点后，再置于25-100℃的钠盐水溶液或有机溶液，或L-抗坏血酸水溶液或有机溶液，或硫脲的水溶液或有机溶液中2-24h，使得不同种离子之间发生化学反应，从而在纤维内部合成纳米颗粒。

所述的化学反应包括以下至少一种：

①氯化铜、硫酸铜、氯化钴、氯化镉、硫酸锌、铅酸钠分别与硫化钠或硫脲或亚硫酸钠沉淀反应；

②氯化镉和亚硒酸钠与硼氢化钠反应；

③氯化镉和亚碲酸钠与硼氢化钠反应；

④氯化铁和氯化亚铁与氢氧化钠反应；

⑤氯金酸与柠檬酸钠反应；

⑥硝酸银与L-抗坏血酸反应。

所述的含有金属离子的溶液包括但不限于：氯化铜、硫酸铜、氯化钴、氯化镉、氯化铁、氯化亚铁、氯金酸、硫酸锌、硝酸银、铅酸钠或其组合。

所述的钠盐水溶液包括但不限于：硫化钠、氢氧化钠、柠檬酸钠、硼氢化钠、亚硫酸钠、亚硒酸钠、亚碲酸钠。

所述的L-抗坏血酸或硫脲的有机溶液是指：L-抗坏血酸或硫脲溶解于乙醇或甲醇的溶液。

所述的化学反应，优选在反应完全后取出纤维，在室温下干燥。

本发明涉及上述一类纳米颗粒功能化的人工蜘蛛丝的应用，将其用于纺织、生物医学等领域，具体为光热转化、荧光、抗菌和/或抗紫外等功能性质。

技术效果

本发明整体解决了纳米材料难以进入到纤维的内部，且不易在纤维内部以较小的尺寸分散均匀，从而导致复合纤维功能性质较弱且不耐用的问题。本发明通过离子与蛋白分子链的预先结合提供化学反应的位点，使得纳米颗粒能够在纤维内部原位生成。同时，纤维的层级结构限制了纳米颗粒的进一步生长与聚集，从而使纳米颗粒能够以较小的尺寸均匀分布在纤维中，为功能化后的复合纤维提供较强的功能性质和力学性质。相比于现有的直接将人工蜘蛛丝浸泡在含有纳米颗粒分散溶液，或者在纺丝溶液中添加纳米颗粒再进行纺丝的功能化方式，本发明的功能化方式简便高效，在纤维内部制备的纳米颗粒粒径较小且均一，使复合纤维具有较强的光热转化、荧光、抗菌和/或抗紫外等多种功能性质。由于纳米颗粒包含在纤维内部，因而纤维具有较强的耐用性质。同时经过纳米功能化诱导纤维内部更多β-折叠晶体结构的形成，使复合纤维的力学性质显著提升，韧性超越天然蜘蛛牵引丝。

附图说明

图1为重组蜘蛛丝蛋白在透析结束后的凝聚相溶液作为纺丝溶液示意图；

图2为CuS纳米颗粒功能化人工蜘蛛丝中的CuS纳米颗粒形貌示意图；

图3为CuS纳米颗粒功能化人工蜘蛛丝的力学性能示意图；

图4为CuS纳米颗粒功能化人工蜘蛛丝与初生蜘蛛丝在日光模拟器照射下的升温情况比较示意图；

图5为CuS纳米颗粒功能化人工蜘蛛丝经过五次水洗干燥后在980nm激光发射器照射下的升温情况比较示意图；

图6为CdS纳米颗粒功能化人工蜘蛛丝的力学性能示意图；

图7为CdS纳米颗粒功能化人工蜘蛛丝与初生蜘蛛丝的荧光光谱比较示意图；

图8为Au纳米颗粒功能化人工蜘蛛丝中的Au纳米颗粒形貌示意图；

图9为Au纳米颗粒功能化人工蜘蛛丝的力学性能示意图；

图10为Au纳米颗粒功能化人工蜘蛛丝与初生蜘蛛丝的紫外透射情况比较示意图；

图11为Au纳米颗粒功能化人工蜘蛛丝与初生蜘蛛丝对大肠杆菌以及金黄色葡萄球菌的抑制情况比较示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例涉及一种硫化铜纳米颗粒功能化人工蜘蛛丝的制备方法，具体步骤包括：

1)将重组蜘蛛丝蛋白初生纤维在水中浸泡2分钟后开始伸长，变软，分子链自由度增加，将其在水中拉伸至原长的6倍。

所述的重组蜘蛛丝蛋白初生纤维，通过重组蜘蛛丝蛋白高浓度纺丝液的湿法纺丝得到，具体为：将重组蜘蛛丝蛋白高浓度纺丝液吸入注射器中，利用注射泵将其通过微流体芯片挤出到90％乙醇(pH5.0)凝固浴中，使重组蜘蛛丝蛋白脱水固化成初生纤维。

所述的重组蜘蛛丝蛋白高浓度纺丝液，即重组蜘蛛丝蛋白的凝聚相，通过将重组蜘蛛丝蛋白溶液在包含有0.02M氯化钠(pH7.4)的缓冲溶液中透析12h制备得到。

在透析过程中，重组蛋白溶液发生液液相分离，分为稀薄相和凝聚相(如图1所示)。

所述的重组蜘蛛丝蛋白溶液，通过以下方式制备得到：

步骤i)将表达有重组蜘蛛丝蛋白的重组大肠杆菌湿菌体以1：10的质量比溶解于包含300mM氯化钠的重悬缓冲液中，4℃搅拌1h得到混合溶液A。

步骤ii)将混合溶液A经过高压匀浆仪进行破壁处理，经过离心，收集上清液获得溶液B。

步骤iii)将溶液B通过镍柱亲和层析进行分离纯化，利用包含有70mM咪唑(pH8.0)的缓冲溶液洗脱杂蛋白，利用包含有250mM咪唑(pH8.0)的缓冲溶液洗脱目标蛋白，得到重组蜘蛛丝蛋白溶液。

2)将水中拉伸处理的纤维置于0.3-8mM氯化铜溶液中，在室温下浸泡处理12h。

3)再将处理后的纤维置于0.9-24mM硫化钠和90％乙醇混合溶液中，60℃处理6h。处理完成后取出纤维，在室温下干燥过夜，获得硫化铜纳米颗粒功能化的人工蜘蛛丝。

相比于现有的直接在纺丝溶液中制备硫化铜纳米颗粒，再进行纺丝的技术，本实施例制备得到的硫化铜纳米颗粒功能化人工蜘蛛丝韧性有显著性提高，平均可达164.5MJm^-3(如图3所示)。在模拟太阳光照射200s后温度可上升20℃，其升高的温度是初生纤维的两倍(如图4所示)。

实施例2

本实施例涉及一种硫化镉量子点功能化人工蜘蛛丝的制备方法，具体步骤包括：

1)将重组蜘蛛丝蛋白初生纤维在水中浸泡2分钟后开始伸长，变软，分子链自由度增加，将其在水中拉伸至原长的6倍。

2)将水中拉伸处理的纤维置于1mM氯化镉溶液中，在室温下浸泡处理12h。

3)再将处理后的纤维置于3mM硫化钠溶液中，室温下处理6h。处理完成后取出纤维，在室温下干燥过夜，获得硫化镉量子点功能化的人工蜘蛛丝。

相比现有的通过直接浸泡量子点分散溶液对蜘蛛丝进行功能化的方法，本实施例制备得到的硫化镉量子点功能化人工蜘蛛丝的强度有显著提高，平均可达373MPa(如图5所示)，且能够在380nm波长的紫外光激发下产生430nm波长的发射峰(如图6所示)。

实施例3

本实施例涉及一种金纳米颗粒功能化人工蜘蛛丝的制备方法，具体步骤包括：

1)将重组蜘蛛丝蛋白初生纤维在水中浸泡2分钟后开始伸长，变软，分子链自由度增加，将其在水中拉伸至原长的6倍。

2)将水中拉伸处理的纤维置于0.8mM氯金酸溶液中，在室温下浸泡处理12h。

3)再将处理后的纤维置于8mM柠檬酸钠溶液中，75℃下处理6h。处理完成后取出纤维，在室温下干燥过夜，获得金纳米颗粒功能化的人工蜘蛛丝。

相比于现有的利用氧化还原反应在再生纤维上原位合成纳米颗粒的方法，本实施例合成的金纳米颗粒粒径均一(如图7所示)，且均匀分布在纤维内部。得到的金纳米颗粒功能化人工蜘蛛丝强度有显著提高，平均可达220MPa(如图8所示)。同时，相比于初生纤维，金纳米颗粒功能化人工蜘蛛丝对紫外线的透射率降低了10-20％(如图9所示)，对金黄色葡萄球菌(G⁺)及大肠杆菌(G-)有60-75％的抑制效果(如图10所示)，因而其具有较强的抗紫外及抑菌作用。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。