一种基于生物工程蛋白的高强蛋白纤维及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于生物工程蛋白的高强蛋白纤维，由类弹性蛋白与蛋白交联剂经湿法纺丝形成。与现有技术相比，本发明专利技术提供的高强蛋白纤维由致密的动态亚胺键网络构成，该网络结构使得纤维具备高强度、高韧性、高力学稳定以及耐高低温的特点；动态亚胺键的存在使得纤维具备敏感的湿度响应性，基于亚胺键的可逆断裂与修复，使得该纤维具备优异的力学性能可修复性和稳定的湿度响应性；基于该纤维兼具高强高韧且机械可逆的特点，所设计的纤维织物展现出优异的反弹性能，湿度响应纤维制动器展现出湿环境重物提举以及辅助伤口愈合方面的能力。综上所述，该高性能纤维可用于制备湿度响应性制动器以及纤维织物，具备广泛的应用前景。具备广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于生物工程蛋白的高强蛋白纤维及其制备方法


[0001]本专利技术属于生物材料
，尤其涉及一种基于生物工程蛋白的高强蛋白纤维及其制备方法。

技术介绍

[0002]高性能蛋白纤维是基于天然蛋白或人工重组蛋白形成的一种生物纤维。与化学合成的高分子纤维相比，生物蛋白纤维具有很好的生物相容性、可直接接触人体，可降解，且生产过程能够实现可持续发展。其中，来源于生物力学结构蛋白的纤维材料具有低密度、高力学强度、高模量、高韧性和强延展性等优点，有望作为如芳纶、碳纤维等传统高分子纤维的替代品，成为下一代高技术材料，尤其是在功能化纤维/织物、刺激响应致动器和生物医用材料等领域。
[0003]然而，目前的研究主要集中在来自蚕丝和蜘蛛丝这类传统天然纤维上，需要拓展新型的高强蛋白纤维材料。此外，目前大部分人工重组的蛋白纤维材料要么不具备高强度、高韧性的机械性能，要么不具备刺激响应性，不能够实现力学性能的可修复性，因此，亟需开发一种兼具高强力学性能和机械性能可逆的蛋白纤维材料。
[0004]弹性蛋白是弹性纤维的主要成分。弹性纤维主要存在于韧带和脉管壁。弹性纤维与胶原纤维共同存在，赋予组织以弹性和抗张能力。弹性类蛋白 (ELPs)是由原弹性蛋白启发而来的具有弹性结构的蛋白质，通常由五肽序列(VPGXG)n(其中Xaa可以是Pro之外的任何氨基酸)串联重复组成。通过合理的设计，这些ELPs可以通过共价反应形成交联网络，使基于ELPs的材料具有非凡的弹性和强度。目前已有大量的研究使用重组的类弹性蛋白进行新型材料的制备，包括可注射性水凝胶、药物释放载体以及蛋白粘合剂等，通过在这些材料中引入动态共价键如二硫键、亚胺键、酰腙键、三硫代酯键等，可以实现材料的自愈性以及机械可逆性。然而，这些研究多着重于凝胶材料的研究，获得的材料机械强度较低，大大限制了基于类弹性蛋白的应用范围。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种基于生物工程蛋白的高强蛋白纤维及其制备方法，该纤维具有高强度、高韧性、力学性能稳定、力学性能可修复的、湿度响应的综合性能。
[0006]本专利技术提供了一种基于生物工程蛋白的高强蛋白纤维，由类弹性蛋白与蛋白交联剂经湿法纺丝形成；
[0007]所述类弹性蛋白包含a个重复单元(VPGKG)与b个重复单元(VPGXG)；其中a为20～200的整数，b为1～20的整数；X为除脯氨酸外的任意天然氨基酸。
[0008]优选的，所述类弹性蛋白包含a个重复单元(VPGKG)与b个重复单元 (VPGVG)。
[0009]优选的，所述类弹性蛋白包含n个重复序列[(VPGKG)9(VPGVG)]； n为4～16的整数。
[0010]优选的，所述蛋白交联剂选自二醛类交联剂OCH(CH2)nCHO，n为1～5 的整数。
[0011]优选的，所述高强蛋白纤维的断裂强度大于等于300MPa。
[0012]本专利技术还提供了一种基于生物工程蛋白的高强蛋白纤维的制备方法，包括以下步骤：
[0013]S1)将类弹性蛋白与水混合，得到蛋白溶液；所述类弹性蛋白包含a个重复单元(VPGKG)与b个重复单元(VPGXG)；其中a为20～200的整数， b为1～20的整数；X为除脯氨酸外的任意天然氨基酸；
[0014]S2)将所述蛋白溶液通过纺丝注射器挤出至凝固浴中进行湿法纺丝，收集纤维，得到基于生物工程蛋白的高强蛋白纤维；所述凝固浴为蛋白交联剂水溶液。
[0015]优选的，所述蛋白溶液的浓度为100～500mg/ml；
[0016]所述凝固浴中蛋白交联剂的浓度为0.5～3wt％；所述凝固浴的pH值为 6.5～8。
[0017]优选的，所述纺丝注射器的针头内径为100～400μm；蛋白溶液通过纺丝注射器挤出的速度为5～50μL/min；挤出的蛋白溶液在凝固浴中保持的时间为 5～20s；收集纤维的速度为1～5m/min。
[0018]优选的，所述步骤S2)中收集纤维后，用水浸泡，进行后拉伸处理，得到基于生物工程蛋白的高强蛋白纤维；后拉伸处理的拉伸程度为原丝长度的 0％～100％。
[0019]本专利技术还提供了一种上述基于生物工程蛋白的高强蛋白纤维在湿度响应性制动器和/或纤维网织物中的应用。
[0020]本专利技术提供了一种基于生物工程蛋白的高强蛋白纤维，由类弹性蛋白与蛋白交联剂经湿法纺丝形成；所述类弹性蛋白包含a个重复单元(VPGKG) 与b个重复单元(VPGXG)；其中a为20～200的整数，b为1～20的整数； X为除脯氨酸外的任意天然氨基酸。与现有技术相比，本专利技术提供的高强蛋白纤维由致密的动态亚胺键网络构成，首先，该网络结构使得纤维具备高强度、高韧性、高力学稳定以及耐高低温的特点；其次，动态亚胺键的存在使得纤维具备敏感的湿度响应性，基于亚胺键的可逆断裂与修复，使得该纤维具备优异的力学性能可修复性和稳定的湿度响应性；再者，基于该纤维兼具高强高韧且机械可逆的特点，所设计的纤维织物展现出优异的反弹性能，湿度响应纤维制动器展现出湿环境重物提举以及辅助伤口愈合方面的能力。综上所述，该高性能纤维可用于制备湿度响应性制动器以及纤维织物，应用效果显著，具备广泛的应用前景。
附图说明
[0021][0022]图1为本专利技术实施例1中经后拉伸处理得到的纤维的照片；
[0023]图2为本专利技术实施例1中经后拉伸处理得到的纤维的扫描电镜图；
[0024]图3为本专利技术实施例1中经后拉伸处理得到的拉伸力学性能曲线图；
[0025]图4为本专利技术实施例1中经后拉伸处理得到的纤维酸碱处理前后力学性能变化图；
[0026]图5为本专利技术实施例1中经后拉伸处理得到的纤维低温处理前后的纤维强度模量结果图；
[0027]图6为本专利技术实施例2中经后拉伸处理得到的纤维的扫描电镜图；
[0028]图7为本专利技术实施例2中经后拉伸处理得到的纤维的拉伸力学性能图；
[0029]图8为本专利技术实施例3中制备的纤维的湿度响应测试图；
[0030]图9为本专利技术实施例4中经后拉伸处理得到的纤维用于制动器辅助猪皮伤口愈合图；
[0031]图10为本专利技术实施例5中经后拉伸处理得到的纤维编制网状织物照片；
[0032]图11为本专利技术实施例5中制备的纤维编制网状织物坠球试验图。
具体实施方式
[0033]下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0034]本专利技术提供了一种基于生物工程蛋白的高强蛋白纤维，由类弹性蛋白与蛋白交联剂经湿法纺丝形成。
[0035]所述类弹性蛋白包含a个重复单元(VPGKG)与b个重复单元(VPGXG)；其中a为20～200的整数，b为1～20的整数；X为除脯氨酸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于生物工程蛋白的高强蛋白纤维，其特征在于，由类弹性蛋白与蛋白交联剂经湿法纺丝形成；所述类弹性蛋白包含a个重复单元(VPGKG)与b个重复单元(VPGXG)；其中a为20～200的整数，b为1～20的整数；X为除脯氨酸外的任意天然氨基酸。2.根据权利要求1所述的高强蛋白纤维，其特征在于，所述类弹性蛋白包含a个重复单元(VPGKG)与b个重复单元(VPGVG)。3.根据权利要求1所述的高强蛋白纤维，其特征在于，所述类弹性蛋白包含n个重复序列[(VPGKG)9(VPGVG)]；n为4～16的整数。4.根据权利要求1所述的高强蛋白纤维，其特征在于，所述蛋白交联剂选自二醛类交联剂OCH(CH2)nCHO，n为1～5的整数。5.根据权利要求1所述的高强蛋白纤维，其特征在于，所述高强蛋白纤维的断裂强度大于等于300MPa。6.一种基于生物工程蛋白的高强蛋白纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1)将类弹性蛋白与水混合，得到蛋白溶液；所述类弹性蛋白包含a个重复单元(VPGKG)与b个重复单元(VPGXG)；其中a为20～200的整数，b为1～2...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘凯，何浩男，王帆，张洪杰，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：