再生丝素（RSF）的水溶液被认为是生产各种丝蛋白基材料的原料，包括水凝胶、薄膜、棒和纤维等，具有显著的力学性能。然而，RSF的水溶液在其基本性质上通常在几天甚至几个小时内是不稳定的，因为RSF链的构象在水中会自发地从随机线圈转变为β-片状。在这项工作中，我们开发了一种优化的喷雾干燥方法，通过在相对较低的温度下快速干燥来收获RSF粉末。结果表明，在粉末制备过程中，RSF链没有发生严重的降解和构象转变，RSF粉末在水中具有良好的溶解度和较长的室温稳定性。重要的是，由喷雾干燥RSF粉末（Sp-RSF）水溶液和新鲜RSF溶液制备的丝蛋白基材料的机械性能没有明显差异。事实上，这种蛋白质链以随机线圈结构为主的无定形Sp-RSF粉末不仅有望成为各种应用中大规模丝蛋白基产品的原料，而且为通过丝素蛋白的非传统加工制备块状丝蛋白材料提供了基础。比如借助热量和湿气进行成型。

研究内容 

Sp-RSF粉末呈球状，可溶于水(图1a)。相比之下，商业SF粉，化妆品的一种成分，是棒状的，不溶性(图1b)。由图1c可知，Sp-RSF粉末中SF的优势构象为随机线圈状，而在商业SF粉末中则为β-片状。XRD数据(图1d)显示，Sp-RSF粉末无结晶峰，而商用SF粉末在20.1°左右出现尖峰，为Silk II型结晶结构。

图1 Sp-RSF粉体的制备与表征。(a) Sp-RSF粉末和(b)商用SF粉末的照片、SEM图像和在水中的溶解度(过滤前)。(c) Sp-RSF粉末和商用SF粉末的FTIR光谱。(d) Sp-RSF粉和商用SF粉的XRD数据。

图2所示。Sp-RSF样品在高角频率下的存储模量(G′)和损耗模量(G′′)略低于前者。Aq-RSF样品计算得到Aq-RSF的重均分子量(Mw)约为90 kDa；计算得到Sp-RSF的重均分子量（Mw）约为85kDa。结果表明，优化后的喷雾干燥方法对HMWRSF（丝素蛋白溶液）没有发生严重的降解。

图2 30°C 时10 wt% Aq-RSF/AmimCl 溶液和 Sp-RSF/AmimCl 溶液的存储模量和损耗模量G'和 G''随频率的变化而变化。这些线是基于Rouse模型的理论曲线，并结合了分子量的高斯分布。

为了证明Sp-RSF粉末形成SF基材料的能力。通过溶解Sp-RSF粉末，制备了Sp-RSF基薄膜、水凝胶和固体。Sp-RSF基材料的力学性能及破坏过程与由新鲜 HMWRSF 水溶液制成的基于Aq-RSF 的材料相似（图3）。

图3 Aq-RSF 和 Sp-RSF 基材料的机械性能。（a） RSF 薄膜在 75%RH 下拉伸试验下的应力-应变曲线。（b） RSF 水凝胶在拉伸试验下的应力-应变曲线。（c） RSF 水凝胶在压缩试验下的应力-应变曲线。（d） RSF 固体在压缩试验下的应力-应变曲线。

图4通过6个月的时间评估Sp-RSF粉的长期稳定性。对于新鲜的HMWRSF溶液，通常在室温下两周内发生溶胶-凝胶转变。HMWRSF的交联是由RSF链之间的聚集和β-折叠形成引起的，提高储存温度可以加速这一过程。因此，新鲜的HMWRSF溶液通常储存在4°C。然而，由于低含水量限制了RSF链的流动性，Sp-RSF粉末限制β-折叠的形成。从FTIR光谱(图4a)和XRD数据(图4b)可以看出，在室温下存放6个月后，粉末中的Sp-RSF仍然保持了非晶结构。

图4 Sp-RSF粉末制备和储存6个月的比较证明了Sp-RSF粉末的长期稳定性。（a）Sp-RSF粉末的FTIR光谱。（b）Sp-RSF粉末的XRD数据。（c）Sp-RSF 水凝胶在拉伸试验下的应力-应变曲线。（d）Sp-RSF水凝胶在压缩试验下的应力-应变曲线。

在干燥状态（含水量：5 wt%）和湿态（含水量：15 wt%）下通过热成型Sp-RSF粉末制备了蚕丝板。Sp-RSF粉末装入在预先设计的钢模中，然后在200MPa下致密化成厚度约为1mm的板。板颜色和透明度的视觉过渡表明粉末的融合和微观尺度的结构变化（图 5a-5b）。结合横截面SEM图像，发现干燥的Sp-RSF粉末的完全熔化发生在150°C 时，而湿的Sp-RSF粉末的完全熔化发生在60°C时。粉末中较高的含水量有利于粉末的熔化和在较低温度下形成均匀的块状材料。

通过ATR-FTIR光谱研究了干燥的Sp-RSF粉末（图5c）和湿的Sp-RSF粉末（图5d）板中RSF的构象。随着成型温度的升高，酰胺I带从1648-1cm移动到1620-1cm，表明RSF的主要构象从无规卷曲转变为β-折叠。典型的β-折叠结构出现在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。随着成型温度的升高，在干燥状态（图5e）和湿态（图5d）下成型的蚕丝板的结晶呈现出不同的趋势。Silk I和II是丝素蛋白的两种众所周知的晶体结构。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°。对于干燥的Sp-RSF粉末，在较低温度（30°C、60°C、90°C）下成型时，在蚕丝板中形成的晶体结构较少，而在较高温度（120 °C、150 °C）下成型时形成典型的Silk II结构。对于湿Sp-RSF粉末，在较低温度（30 °C、60 °C、90 °C）下成型时形成典型的Silk I结构，而Silk I和II在较高温度（120 °C、150 °C）下成型时共存。

图5 Sp-RSF 粉末的成型。由（a）干Sp-RSF粉末和（b）湿 Sp-RSF 粉末制备的丝绸板的照片和横截面 SEM 图像。由（c）干燥的Sp-RSF 粉末和（d） 湿的 Sp-RSF 粉末制备的丝绸板的 ATR-FTIR 光谱。由（e）干Sp-RSF粉末和（f）湿Sp-RSF 粉末制备的丝板的XRD数据。干或湿Sp-RSF 粉末在不同温度下成型：30 °C （D/W30）、60 °C （D/W60）、90 °C （D/W90）、120 °C （D/W120） 和 150 °C （D/W150）。

TMDSC（图6a）能将总热流分为可逆热流和非可逆热流，因此高能量水蒸发不能掩盖RSF的转变。对于干燥Sp-RSF粉末，反转信号有两种变化。第一种是在90℃左右脱水后从无定形结构转化为silk II结晶的结果。第二个是SF在180°C左右的本征玻璃化转变。对于湿Sp-RSF粉末，反转信号也有两种变化。第一个是RSF在25℃左右的水塑化玻璃化转变。第二种是在90℃左右脱水后从silk Ⅰ转化为silk Ⅱ的结果。

图6（a）干燥的Sp-RSF粉末和潮湿的Sp-RSF粉末的TMDSC的反向热流曲线。（b）由湿Sp-RSF粉末制备的蚕丝板在不同温度（30°C/W30、60°C/W60、90°C/W90、120°C/W120 和150°C/W150）和不同湿度（75% RH、85% RH、92% RH）下的机械性能。

结论

在这项研究中，报道了通过专门的喷雾干燥方法实现的高分子量可溶性和稳定的Sp-RSF粉末。我们发现水-蛋白质关系对Sp-RSF粉末的制备和加工至关重要。在制备过程中，低温下的快速水分蒸发限制了SF的构象转变和降解。Sp-RSF链在干燥状态下的低迁移率也赋予了Sp-RSF粉末长期稳定性。在加工中，材料制造的先决条件是增强Sp-RSF的流动性。除了溶解之外，还展示了一种水辅助成型方法来制造蚕丝板。水分的引入促进了Sp-RSF的流动性和粉末在低成型温度下的熔融。与热成型方法相比，我们的方法减轻了丝素蛋白热降解对生物相容性的潜在风险。本研究可为基于水和Sp-RSF粉末组合的新方法的开发提供指导。我们相信，从新源材料和新加工方法的角度来看，Sp-RSF粉末可能有助于蚕丝基材料迈入新阶段。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.giant.2024.100313