人造丝由乳清蛋白制成

瑞典 - 德国研究团队已经完成了人工生产丝绸的关键工艺。在DESY的研究光源PETRA III的强烈X射线的帮助下，科学家们可以观察到称为纳米纤维的小蛋白质块如何锁定在一起形成纤维。令人惊讶的是，最好的纤维不是由最长的蛋白质块形成的。相反，最强大的“丝绸”来自蛋白质纳米纤维，看起来质量较差，因为斯德哥尔摩皇家理工学院(KTH)的Christofer Lendel博士和Fredrik Lundell博士在“美国国家科学院院刊”上发表报道科学。

由于丝绸具有许多显着的特性，因此丝绸在许多领域都是需求量很大的材料。它重量轻，但比某些金属更坚固，并且可以非常有弹性。目前，丝绸是从养殖的蚕中收获的，这是非常昂贵的。“在全球范围内，许多研究团队正在研究人工生产丝绸的方法，”共同作者，DESY的Stephan Roth教授说道，他是斯德哥尔摩KTH的兼职教授。“这种人造材料也可以进行修改，以具有新的，量身定制的特性，并可用于新型生物传感器或自溶性伤口敷料等应用。”

然而，在丝绸的情况下，模仿自然被证明特别困难。瑞典团队专注于自组装材料。“这是一个非常简单的过程，”伦德尔解释道。“有些蛋白质在适当的条件下组装成纳米纤维。然后将具有这些蛋白质纳米纤维的载液泵送通过小管道。额外的水从侧面垂直进入，并将原纤维挤压在一起，直到它们粘在一起形成纤维。“后一种过程称为流体动力聚焦，Lundell的团队之前使用它来生产纤维素原纤维的人造木纤维。“实际上，这个过程与蜘蛛生产丝线的方式有几点相似之处，”Lendel说。

在这项新研究中，纳米纤维是由牛乳清蛋白在热和酸的影响下形成的。原纤维的形状和特征很大程度上取决于溶液中的蛋白质浓度。不到4%，形成长而直的和厚的原纤维。它们可以长达2000纳米，厚度为4到7纳米。但是在初始溶液中蛋白质浓度仅略高于6%或更高时，原纤维仍然更短更薄，平均长度仅为40纳米，厚度为2至3纳米。此外，它们看起来像微小的蠕虫，比长而直的原纤维柔软15到25倍。

然而，在实验室中，短而弯曲的原纤维形成比长而直的原纤维好得多的纤维。凭借DESY明亮的X射线，研究人员可以找到原因：“弯曲的纳米纤维比直的更好地锁定在一起。X射线衍射图表显示它们在最终纤维中基本上保持了相当随机的取向，“在实验发生的PETRA III的光束线P03的头部Roth说道。

“当有序的纳米结构和纤维缠结之间保持足够的平衡时，形成最强的纤维，”Lendel补充道。“天然丝绸是一种更复杂的结构，具有进化优化的蛋白质，以两种高度有序的区域 - 所谓的β-折叠 - 组合，提供强度和低顺序区域，提供灵活性。然而，人造纤维和天然纤维的结构本质上是不同的。特别是天然蚕丝中的蛋白质链具有更多的分子间相互作用，这些相互作用使蛋白质交联并产生更强的纤维。“

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