蛛丝因其优异的综合力学性能、良好的生物相容性和生物可降解性,在材料学、医学等诸多领域显示出广阔的应用前景。然而,由于蜘蛛的习性,无法获取充足的天然蛛丝满足大规模应用需求。目前,通过生物技术可合成重组蛛丝蛋白,为重组蛛丝纤维的研究与蛛丝蛋白产品的研发提供原料,也为重组蛛丝纤维的大规模生产应用提供可能。在重组蛛丝纤维的研发方面仍需要开发新型的重组蛛丝蛋白、探究高效的纺丝工艺以获得力学性能优异的蛛丝纤维,实现重组蛛丝纤维的大规模生产应用。已有蛛丝的研究成果基本聚焦于天然和重组主壶腹腺丝,而有关天然和重组梨状腺丝的研究起步较晚,目前尚无天然梨状腺丝力学性能的研究报道,亦鲜有重组梨状腺丝力学性能的研究成果。本论文基于梨状腺丝蛋白编码基因设计表达重组蛛丝蛋白,并对重组蛛丝蛋白制备丝纤维、丝纤维改性和丝纤维力学性能进行较细致的研究,进而拓展到重组蛛丝蛋白共混纳米纤维膜性能的应用研究。具体研究内容如下所述。一、丝纤维的制备及性能表征研究。梨状腺丝是蛛丝附着盘主要组分之一,蛛丝附着盘的力学性能优异,暗示着梨状腺丝有可能具有优异的力学性能。梨状腺丝蛋白核心重复区重复模块含有QQ基序和(PX)n基序,是设计新型重组蛛丝蛋白进行结构与性能研究的新元素。基于大腹园蛛(Araneus ventricosus)梨状腺丝蛋白重复模块基因构建重组蛛丝蛋白基因,诱导表达了四种含有不同数目重复模块的重组蛛丝蛋白,分别使用湿纺工艺将制备丝纤维。四种丝纤维直径均匀,横截面断口呈圆形、无微纤维结构。热稳定性研究表明四种丝纤维的热降解起始温度约为250℃,具有与天然蛛丝相似的热稳定性。力学性能测试结果分析显示四种丝纤维均具有高延展性,最大断裂伸长量达60%以上;随着重复模块数目的增加、以及非重复区NT和CT的存在,丝纤维的杨氏模量、断裂强度和韧性都有所增加。本研究系统地研究了重组蛛丝蛋白在纺丝原液中、纺丝过程中、丝纤维被拉伸过程中以及被拉断后二级结构组成的变化。四种重组蛛丝蛋白在纺丝原液中均主要为α-螺旋和无规卷曲构象。湿纺过程中,四种重组蛛丝蛋白均发生了α-螺旋向β-折叠的转变。丝纤维被拉伸过程中二级结构组成变化趋势为:随着丝纤维的拉伸倍数增加,β-折叠含量的逐渐减少,丝纤维断裂后,β-折叠的含量能得到恢复。本研究制备重组蛛丝蛋白纺制出丝纤维,研究了丝纤维的性能,拓展了重组蛛丝蛋白与纤维的内容,并为这类重组蛛丝蛋白的进一步研究奠定基础。二、丝纤维改性及性能提升研究。为了获得力学性能更好的重组蛛丝纤维,本研究首次将二氧化钛和甲醛应用于湿纺工艺中制备丝纤维。力学性能测试结果分析表明,添加了二氧化钛或(和)甲醛处理后的丝纤维具有比对照丝纤维更高的杨氏模量、更高的断裂强度和更高的韧性,但断裂伸长量较低;用两种方法共同处理的丝纤维则具有最高的韧性,高达249±22 MJ/m~3。使用傅利叶变换红外光谱对丝纤维的蛋白二级结构组成分析表明,经二氧化钛或(和)甲醛处理的丝纤维中与对照丝纤维的二级结构组成均存在差异。广角X射线衍射对丝纤维的晶体结构分析表明,经二氧化钛或(和)甲醛处理的丝纤维比对照丝纤维具有更高的结晶度;二氧化钛或甲醛处理的丝纤维晶粒尺寸发生明显的改变,而同时处理的丝纤维中晶粒的尺寸几乎不变。小角X射线散射分析发现丝纤维在中间相厚度和分形方面也存在着差异。本研究验证了使用二氧化钛和甲醛可以提升重组蛛丝纤维的力学性能;使用纳米颗粒和有机交联剂制备改性丝纤维是一种获得高性能丝纤维的新策略。三、纳米纤维膜的制备及应用性能评估。支架材料是组织工程的关键,目前使用的化学合成高聚物和天然提取高分子有机物制备的皮肤再生支架存在各自的缺点,使用重组蛛丝蛋白为共混原料制备生物支架以期提升支架材料的性能。本研究中将聚乳酸己内酯(PLCL)与重组蛛丝蛋白共混使用静电纺丝工艺制备纳米纤维膜,使用多种研究方法评估混纺纳米纤维膜的应用性能。扫描电子显微镜观察显示,共混纳米纤维的平均直径小于纯PLCL纤维。亲水性研究发现纯PLCL纳米纤维膜表面具有高度疏水性,而共混纳米纤维膜表面的亲水性得到显著改善,具有良好的亲水性。广角X射线衍射测试分析结果表明,共混纳米纤维膜的微结构主要为无定形结构。热重分析测试表明,共混纳米纤维膜都具有良好的热稳定性。力学性能测试结果分析显示,与纯PLCL纤维膜相比,共混纳米纤维的断裂伸长量随着重组蛛丝蛋白含量的提高而下降,但断裂强度变化与蛋白含量无明显相关性,其中聚乳酸己内酯与重组蛛丝蛋白共混比为75:25纤维膜的力学性能符合制作皮肤再生支架的力学性能要求。后续的溶血和细胞相容性检测也初步证实了该纳米纤维膜具备良好的生物相容性,具备制备皮肤再生支架的潜力。此外,体外降解实验结果表明,共混纳米纤维降解速度得到了提升。本研究发现共混25%重组蛛丝蛋白制备的纳米纤维膜有效地提升了支架材料的亲水性、力学性能和降解速度,这些研究结论为重组蛛丝蛋白制备皮肤再生支架的进一步研究提供参考。