以晶體生長原理重塑蠶絲柔性材料世界的未來

邱 武,劉向陽

(1.廈門大學海洋與地球學院,近海海洋環境科學國家重點實驗室，廈門 361005；2.新加坡國立大學物理系，新加坡 117551)

0 晶體、非晶體與柔性材料

自然界的物質，常以四種形態存在，即晶態、液態(包括其他非晶態)、氣態與等離子態。其中，晶態與非晶態屬凝聚態。晶態，指內部粒子(原子、離子或分子)在空間按照一定規則周期性重復排列構成(或長程有序)的物質；而非晶態，指其內部的原子或分子的排列則呈現雜亂無章的分布狀態，或只有近程有序的物質。常見的非晶體包括液體、無定形體和玻璃體等。在適宜的條件(如生長速率合適時)，晶體能夠自發地呈現封閉的規則和典型的凸面多面體外形。在晶體內部由于各個方向排列的內部粒子之間的距離不同，導致晶體往往在各個方向表現出的物理性質(如硬度、導熱性和光學性質等)存在差異，即所謂的各向異性。對于典型的晶體，具有固定的熔點，而對于非晶體，則沒有固定的熔點。晶體在現代社會，起著舉足輕重的作用，如激光、非線性晶體，硅半導體，金剛石，石墨(烯)等。

近些年來，柔性材料，包括各種聚合物、水凝膠、天然與合成纖維、蠶絲等，從更廣泛的意義上來說，在人們生活，以及生物醫藥方面，起著不可替代的作用，并越來越引起人們的重視[1-9]。特別是近年來發展起來的柔性電子，將影響著大健康、人工智能等方面的發展[10-12]，而柔性電子的基礎，在于柔性材料。

圖1 晶體、非晶體與柔性材料的關系，柔性材料是晶體和非晶體兩種形態的混合體Fig.1 Correlation between crystals, amorphous and soft materials, soft materials are combinations of crystals and amorphous

柔性材料原先被認為是非晶材料。然而，越來越多的實驗現象證實，包括蜘蛛絲、蠶絲、蛋白質凝膠等在內的許多柔性材料，內部存在著典型的晶體和非晶體(見圖1)。這些柔性材料，既可以對X-射線衍射實驗做出反應，意味著內部存在晶體;同時又在介觀尺度上呈現出與典型晶體顯著不同的性質，意味著內部并不完全由晶體充斥。最新的研究表明，對于很多柔性材料，它們內部的基本結構單元是晶體網絡[13-19]。在這樣的晶體網絡中，微晶通過不同的方式連接組成晶體網絡結構。這種連接方式，既可以是微晶本身，也可以是其他晶體，還可以是非晶態的分子甚至無定形的分子鏈。介觀晶體網絡結構，對柔性材料的宏觀性能起著舉足輕重的作用。美國能源部《從量子化到連續介質：介觀科學的機遇》的白皮書中指出：“軟物質宏觀的性能，明顯來源于介觀尺度結構，而非原子或納觀尺度結構”，明確地界定出介觀結構在影響柔性材料宏觀性能方面的作用[13,15,17]。

基于以上事實，了解柔性材料的介觀結構特別是晶體網絡結構與宏觀性能的關聯，就顯得越來越重要。在柔性材料領域，大量實驗結果證實，在材料內部，晶體網絡的拓撲結構、相關長度、對稱/有序性度、關聯強度等四個因素，直接決定了介觀材料的性能(見圖2)[13-16,20]。迄今為止，晶體網絡的概念已得到同行的廣泛認可，現在普遍認為“由組裝引起的晶體生長形成的晶體網絡，是一種實現生物材料結構的重要途徑”[15,18]。

圖2 (a)柔性材料介觀多級結構模型[13];(b)柔性材料介觀結構的宏觀性能表現，呈現特定的反映，具體來說，這種表現通過四個結構要素來表現：晶體網絡的拓撲結構、相關長度、對稱/有序性度、關聯強度[13-16,20]Fig.2 (a) Mesoscopic hierarchical structures of soft materials[13]; (b) the macroscopic performances of mesoscopic structure soft materials are highly correlated to four structural factors, they are: the topology of crystal network, the correlation length, the ordering and the interaction[13-16,20]

對軟物質的研究，始于一百多年前。學術界對相關課題已經進行了廣泛研究。一方面，更新了許多新的軟物質系統的相關知識；另一方面，基于相關物理學、生物學和化學領域的新需求，還發展出了許多關于軟物質的新應用。軟物質系統具有顯著的熱波動、介觀多尺度自組裝結構、熵驅動有序無序轉換、宏觀柔性等共同特征。簡言之，這些系統具有“小刺激、大反應”和強烈的非線性。

在不同類型的軟物質系統中，柔性材料由于在大型健康及相關領域的廣泛應用，近年來被列為最重要的材料之一。結合大數據和人工智能技術，柔性材料和相關的柔性電子器件將重塑人類的生活方式和工作風格。目前社會的主要關注點是識別和制造高性能的新柔性材料，用于制備柔性光子/電子設備和環保智能的組織材料，應用于化療催化、藥物輸送、基因傳遞、生物成像和組織工程、遠程診斷等相關領域。特別是可穿戴、可植入、可生物降解/可吸收和可注射的柔性器件將對人類健康和日常生活產生巨大影響。

在遠程醫療與大健康方面，柔性電子器件與柔性傳感器起著關鍵性的作用。柔性電子器件的性能，在很大程度上取決于構成柔性電子器件的柔性材料的各項特征。此外，作為柔性傳感器，其中的柔性材料應對生物友好或對人的皮膚友好。因此，確定滿足制造具有理想性能和效益的柔性電子器件所有要求的材料是一項重大挑戰。顯然，這是尋找合適柔性材料應用于柔性電子研究的主要障礙之一。目前從柔性材料到柔性電子器件的最新策略，是首先將柔性材料進行介觀結構重構以實現介觀功能化，再將其制成柔性介觀電子/傳感器件(見圖3)[9]。

圖3 基于絲蛋白的柔性材料發展之路。在絲蛋白柔性材料的形成過程中通過控制結晶等結構形成動力學，可以實現對其介觀結構的重構，并通過介觀摻雜實現介觀功能化，制備絲蛋白柔性介觀功能材料。對這樣的介觀功能材料進行后續的介觀刻蝕等介觀制備工藝，便可以進一步制備基于絲蛋白的介觀柔性光電器件[9]Fig.3 Developing road of silk fibroin-based soft materials. By controlling nucleation pathways and corresponding kinetics, the mesoscopic structures of silk flexible materials can be reconstructed. Afterwards, via mesoscopic functionalization, silk mesoscopic functional materials are created. Via meso lithography and other fabrication technologies, such flexible functional materials can beappplied for synthesis of next generation of silk mesoscopic electronics/photonics devices[9]

在本文中，將主要研究在絲蛋白(SF)發生折疊/重新折疊的過程中通過改變路徑，實現絲蛋白材料的介觀結構調控，并賦予其不同而廣泛的全新功能。在這方面，還概述了一項創新材料戰略，即制造非同尋常的多功能柔性材料，應用于建造性能優異、應用廣泛的柔性電子器件。

作為一種日益重要的柔性材料，蜘蛛絲、蠶絲纖維及再生絲蛋白材料由于其優異的生物相容性與可控生物降解速度，而受到日益廣泛的關注。蠶絲纖維材料的產量豐富，而且還具有優異的機械性能、光學性能和電學性能，這使其成為下一代生物相容柔性電子器件的重要研究熱點[21-23]。由于其良好的體外和體內生物相容性、優秀的力學性能和可控的生物降解速度，蠶絲纖維在生物醫學、組織工程應用領域，已經受到廣泛的重視[3-6,13,15]。絲蛋白制成的生物醫制品，不僅可避免人類染上克雅二氏(人類形式的瘋牛病)的風險，同時也是美國食品和藥物管理局(FDA)批準的醫用材料。將蠶絲蛋白溶解、提純、功能化之后再制備成薄膜、凝膠、小球、纖維、多孔支架等各種形式的再生蠶絲蛋白超分子材料，可以極大地擴展蠶絲的應用范圍。

另一方面，絲蛋白材料在優秀的具有生物相容性的柔性光電子器件方面表現出了很大潛力，受到越來越廣泛的關注。迄今為止，經介觀摻雜實現其功能化調控的絲蛋白材料，已經被應用于多種柔性光電子器件，如，作為OFET(organic field effect transistors)中的介電層，利用憶阻特性制備存儲器等[24]。因此，基于絲蛋白材料的功能化，能發展出一系列基于絲蛋白材料的具有生物相容性好、降解可調的光電元器件。而在可穿戴、可植入、可生物降解/吸收、可注射的柔性器件方面，絲蛋白材料同樣將對人類未來的健康、生活產生巨大影響[9-12]。

蠶絲和絲蛋白材料具有典型的多級晶體網絡結構，主要涉及了二級結構(β折疊),微晶和微晶網絡[13,25]。這里，值得思考的問題是，在柔性材料中，為什么存在晶體網絡?這個問題應該從以下兩個方面進行理解：(1)晶體網絡在形成“巨大”的、相互連接的三維空間結構過程中，其“編織”網絡或網絡擴張的方式，是比較迅速與隨意的，它們不僅可以如晶體一樣，從空間某些點生長出來；也可以由幾個局部小網絡通過相互滲透連接而成[13,25]。(2)柔性材料的許多物理性質，是由分子間非化學鍵(如氫鍵、疏水相互作用、范德華力等多種形式)的弱相互作用決定。而以晶體有序的形式，組合成的弱相互作用“集”，具有與化學鏈相比擬的強度與穩定性。舉例來說，盡管單個氫鍵的斷裂能相比于化學鍵要弱得多，但絲蛋白材料內相對的兩條分子鏈間往往由于存在數十個氫鍵，在這些氫鍵的協同作用下，分子鏈間的相互作用“集”便可以得到顯著增強(見圖4)[15]。事實上，正是由于各種弱相互作用的協同合作，柔性材料的穩定性才得以保存[17]。這里，蜘蛛絲牽引絲線所有的超高強度，就是一典型的例子[26]。在蜘蛛絲牽引絲內部的結晶網絡內，由微晶作為網絡的結點，在晶體網絡受到外力拉伸時承擔了大部分應力。破壞微晶，需要克服微晶內存在的β折疊間的疏水相互作用“集”，而破壞每一個β折疊，更進一步需要克服β折疊內β鏈間的氫鍵相互作用“集”[15,17]。

圖4 絲蛋白材料中微晶內各種相互作用的強度[15] (a)不同類別相互作用的強度估計;(b)β結晶導致的強度增強Fig.4 Summary of variety of interactions involved in SF materials and enforcement strength in crystallization (crystallization force)[15] (a) table of interaction strength of different categories of interactions; (b) illustration of thestrength enforcement due to β-crystallization

介觀晶體網絡的基礎是晶體，由于晶體網絡的重要性，對晶體生長進行研究的方法，包括研究其結晶動力學等，也可應用到研究具有典型晶體網絡結構的柔性材料之中。具體來說，本文主要關注柔性材料中晶體網絡形成的相關動力學，通過介觀調控實現結構的介觀重構，同時通過引入不同的絲蛋白分子成核引發劑(種子)或通過介觀摻雜的方法實現絲蛋白材料的介觀功能化。最后再對絲蛋白柔性功能材料實施包括介觀刻蝕在內的介觀制備工藝，便可以發展出全新的基于絲蛋白材料的柔性介觀光、電器件[10]。因此，晶體生長或結晶動力學的知識重要性，不只局限在傳統的晶體生長領域，它還在柔性材料的研究領域，起到意想不到的關鍵性作用[11]。

在本綜述中，首先詳細討論了絲蛋白材料的介觀多級結構和晶體網絡結構，且著重說明了各級結構特別是晶體網絡結構中相關的結構單元對其宏觀性能的影響。由于晶體網絡的重要性，本文還簡要介紹了對絲蛋白材料進行介觀結構表征的具體技術手段。由于絲蛋白材料的制備符合蛋白質分子的結晶原理，接下來，從成核和結晶的角度，詳細討論了涉及調控絲蛋白分子折疊的路徑，絲蛋白材料介觀結構的重構方法及控制機制。最后，為了驗證晶體生長理論的正確性，還以絲蛋白薄膜為例，說明了晶體生長理論可以應用于制備其他種類的功能化絲蛋白材料。

1 絲蛋白材料的介觀多級結構和晶體網絡

1.1 絲蛋白材料的介觀多級結構

由于絲蛋白材料的介觀結構對其宏觀性能起著直接甚至決定性的影響，對絲蛋白材料的介觀結構，特別是晶體網絡結構進行深入且準確的表征就顯得尤為重要。與此同時，掌握絲蛋白材料中晶體和晶體網絡結構形成的機理，從而應用于精確控制與介觀構筑絲蛋白材料的晶體網絡結構，就可以構建功能全新的絲蛋白材料，并將之推廣到其他種類的柔性材料中。如通過介觀重構，可將原先不發光的柔性材料轉化成發光柔性材料，也可將原先不導電的柔性材料轉化成導電的柔性材料[11]。

雖然對蜘蛛絲和蠶絲的應用和研究已有相當長的時間，但由于表征手段的限制，迄今為止對其內部結構存在許多混淆的認識。隨著介觀結構和晶體網絡結構的概念深入人心，在大量實驗基礎上，不同形式的絲蛋白材料都被證實，其內部存在典型的納米微纖，而隨著技術發展，原子力顯微鏡譜第一次被用來證實納米微纖實質是典型的納米微晶采取“漁網”結構而構成的晶體網絡[27]。結合相關實驗結果和模擬結果，本課題組第一次提出了以下絲蛋白材料的五級介觀多級結構[13]。自下而上，這五級結構分別為：氨基酸序列、二級結構(β折疊)、微晶、微晶網絡(納米微纖)和納米微纖網絡(見圖5)。其中，β折疊是后續微晶和微晶網絡的基礎，它的含量主要由蛋白質的氨基酸序列決定。一般來說，微晶由于其力學性質相對穩定，在絲蛋白材料受到外力拉伸時，可以承擔晶體網絡內最多的應力，在微晶沒有被破壞前，絲蛋白材料可以有效地保持結構完整。實際上，當絲蛋白材料內部沒有形成微晶時，這樣的絲蛋白材料不僅會輕易地溶解于溶液中，還往往表現出令人失望的力學強度。除了微晶，晶體網絡中微晶密度和微晶取向度，則是另外兩個與絲蛋白材料力學性能直接相關的重要結構參數[15]。

1.2 絲蛋白材料內的晶體網絡

顯然，絲蛋白材料的晶體網絡結構主要涉及的是三級結構(即β微晶)和四級結構(即β微晶網絡)，考慮到β微晶由眾多的β折疊通過分子間相互作用力互相堆砌而來，二級結構也被考慮為絲蛋白材料晶體網絡的組成部分。值得注意的是，并非所有的β折疊都可以形成微晶。實際上，對絲蛋白材料中的β構象總量和結晶度(即微晶含量)進行量化后證實，β構象的總量總是高于結晶度，因此可以得出以下結論：β構象總量不僅包括形成微晶的分子間β折疊，還包括很多普通的不能形成微晶的分子內β折疊。之所以認為β折疊含量和β微晶的含量都直接與絲蛋白材料的宏觀力學性能相關，是因為已經證實，不同絲蛋白材料內的β折疊含量和結晶度總是存在著顯著差異，而正是由于這些差異，導致了不同絲蛋白材料迥異的力學性能。舉例來說，在蜘蛛的牽引絲纖維中，β構象總量和分子內β折疊含量分別為51%和29%。而在柞蠶絲纖維中，分子內β折疊含量僅為23%。至于桑蠶絲的分子內β折疊含量，相比之下它的比例要小得多，僅占9%。相應地，反映到力學強度上，蜘蛛牽引絲的力學性能可以高達1.3 GPa，遠遠高于蠶絲的300～400 MPa[15]。

利用X射線衍射技術對天然桑蠶絲纖維的微晶結構進行表征時發現，該微晶具有典型的正交晶格(空間群為P22121)結構，單元尺寸分別為a=0.92 nm、b=0.94 nm和c=0.694 nm，其中a是微晶內沿著β折疊堆疊的方向；b是微晶內β折疊中氫鍵的方向；c是微晶中β鏈的方向[15]。最近，經實驗證實，微晶的尺寸可以影響微晶的穩定性，繼而影響絲蛋白材料的宏觀性能。具體來說，蜘蛛牽引絲纖維中的微晶尺寸，特別是沿c方向(即纖維長軸方向)的尺寸，在一定程度內(如，大于6 nm)越大時，該微晶會表現出更強的穩定性。至于微晶在b方向上的尺寸，它們對微晶穩定性的影響恰好相反，即，當微晶在b方向上的尺寸較小時，往往這樣的微晶具有更高的強度、剛度和韌性。實際上，當微晶的b方向尺寸限制為2～4 nm時，可以取得最佳的穩定性。從結晶學的角度來看，這種尺寸效應，可以如下解釋:與小微晶相比，大微晶內往往還會有更多的缺陷或位錯，這會降低大微晶的力學穩定性[13]。由于大晶體的形成通常依賴于具有一定有序度或對稱性的組裝，理想情況中，在晶體的生長過程中，從溶液相中的結晶單元通過外延生長轉移到晶核上，只有經歷高度有序的組裝才能生長為結構完美的晶體。然而，在某些特定條件(如，溶液的過飽和度太高以至于發生失配的外延生長的勢壘過低)下，晶核和后續生長單元的界面上會發生位錯。這時，新形成的生長層將會偏離原本晶核的結構，導致最終生成的晶體內具有顯著的位錯或缺陷，因此導致其穩定性反而降低[15]。

圖5 (a)蜘蛛絲蛋白/蠶絲蛋白內部存在典型的晶體網絡結構[14];(b)絲蛋白材料的介觀多級結構[15]Fig.5 (a) Schema of the crystal network structures within soft materials including silkworm silk fiber and spider fiber[14]; (b) mesoscopic hierarchical structures of SF materials[15]

盡管絲蛋白通過結晶變成微晶對提升絲蛋白材料的力學性能很重要，但形成單獨的微晶，仍不足以賦予絲蛋白材料超強的力學性能。事實上，微晶作為一種結構穩定的單元，將眾多的微晶聯系起來構成網絡結構的方式，能夠更大程度上決定絲蛋白材料的性能。最近，原子力顯微鏡已證實，絲蛋白材料內部的微晶網絡，采取了所謂的“漁網”狀的拓撲結構[27]。即，由無定形鏈將眾多微晶聯系起來而形成的網絡。該網絡中，由于微晶性質穩定，在“漁網”中可以被視作結點，在納米微纖被拉伸過程中承擔主要的拉力。而無定形鏈的存在，又賦予了納米微纖一定程度上的柔性。通過采用這種拓撲網絡結構，納米微纖獲得了自然界中相對最柔韌、最堅固的力學性能。通過蒙特卡洛方法模擬當絲纖維采取不同晶體網絡的拓撲結構后發現，選擇β微晶作為納米“漁網”的交聯點的結晶網絡結構時，相關的絲纖維的強度能比淀粉狀蛋白樣結構和獨立未交聯的分子鏈結構(“板段”結構)高1 000倍[27]。

由于晶體網絡中眾多的微晶通過“漁網”狀的拓撲結構聯系在一起，當這樣的網絡在整體受到外力拉伸破壞時，應力可以繞過被破壞的微晶從而轉移到周圍尚未斷裂的微晶上，促使更多的相鄰微晶參與到承擔外力的任務中。因此，當微晶網絡內的微晶數目更多(換言之，微晶密度更高時)，這樣的微晶網絡理所應當具備更強的力學穩定性。比較蜘蛛牽引絲和蠶絲纖維的結構時發現，雖然蜘蛛牽引絲的結晶度僅為蠶絲纖維的一半，但由于蜘蛛牽引絲中微晶的尺寸僅為蠶絲纖維中微晶的25%，通過簡單的計算可以得知，蜘蛛牽引絲內的微晶密度約為蠶絲纖維中的兩倍。顯然，這一微晶密度的差異，可以解釋為何蜘蛛牽引絲的力學強度遠高于蠶絲纖維[13]。除了微晶密度，由于晶體網絡中微晶的長軸方向并不總與纖維軸向保持一致，所以微晶的取向也在很大程度上影響最終晶體網絡的性能。具體來說，當微晶和纖維軸向保持比較一致時，撕裂微晶需要克服的氫鍵較多；當取向不一致時，僅需要破壞少量的氫鍵便可以使微晶的穩定性被破壞。換言之，取向較好的微晶網絡更加穩定[15,27]。

通過上述針對絲蛋白材料介觀多級結構的介紹，可以得知晶體網絡的重要性，尤其涉及微晶的形成，包括如何控制后續微晶網絡中的微晶密度和取向度，對于設法提高絲蛋白材料的宏觀力學性能起著至關重要的作用[13]。鑒于絲蛋白材料中涉及結晶網絡的結構參數(即，二級結構中β折疊的含量，三級結構中β微晶的含量及四級結構中β微晶的密度和取向度)的重要性，對它們進行準確的量化表征就顯得至關重要。在本綜述中，將簡要介紹幾種針對柔性材料中與晶體網絡相關的常見結構表征技術。

2 表征絲蛋白材料中晶體結構和晶體網絡結構的技術

對于柔性材料，特別是帶有晶體網絡的絲蛋白材料中的結構進行表征，其常規方法主要包括傅里葉變換紅外光譜(FTIR光譜)、拉曼光譜、圓二色譜(CD)和X射線衍射譜。

由于其簡單和實用的特點，FTIR光譜技術成為了研究包括絲蛋白材料及其他蛋白質基材料內部二級結構含量最早也最廣泛應用的方法。FTIR信號經過解卷積操作后，光譜可以被分解成包含有β折疊、α螺旋、β轉角和無規則卷曲四種二級結構的多個高斯峰擬合。其中，β折疊的特征峰位于1 620 cm-1和1 698 cm-1附近，而非晶成分的特征峰則位于1 645 cm-1附近。每種二級結構成分的含量可以通過測量對應特征峰的面積比值來定量確定。除FTIR光譜外，拉曼光譜是另一種可無損表征絲蛋白材料二級結構的技術。一般而言，拉曼光譜可以提供與FTIR光譜分析互補的信息。與FTIR和拉曼光譜技術相比，圓二色譜主要用于測定絲蛋白分子鏈在溶液中的構象(蛋白質二級含量)及其變化過程。由于不同的二級結構所產生的CD譜帶位置和強弱都不相同，因此可以通過CD光譜來研究絲蛋白在溶液中的構象。

X射線衍射(XRD)技術則是直接對晶體網絡進行定量測量的最常用的技術。通過測量X射線碰撞位于晶體網絡中的微晶發生衍射后在空間的分布以及測量信號所在的方位和強度，便可以反推出內部的晶體網絡的相關結構。其中，廣角X射線衍射(WAXD)/廣角X射線散射(WAXS)技術被廣泛用于表征晶體網絡中微晶的尺寸大小和取向度，及定量測量微晶含量(結晶度)。而小角X射線散射SAXS技術則被用于測量蠶絲和蜘蛛牽引絲內晶體網絡中相鄰微晶間的距離[15]。

3 絲蛋白分子折疊與絲蛋白材料的介觀重構及控制機制

3.1 絲蛋白材料的“自組裝機理”:“液晶”和“膠束”模型

由可溶性蛛絲蛋白或絲素蛋白形成固體的絲纖維(及其他非纖維狀的柔性材料)的過程，是一個復雜的生化和物理變化過程。在蜘蛛體內，這個過程發生在特殊的器官，即“紡體”中(桑蠶體內對應的器官則為絲腺)。迄今為止，已有多種模型被提出用于闡釋蜘蛛牽引絲在“紡體”內的產生過程。其中最有名的兩種模型分別是“液晶”模型和“膠束”模型。為了詳細闡述這兩種模型，首先簡介下“紡體”的結構。蜘蛛“紡體”主要由三部分組成，即腺體、導管和紡絲頭。以蜘蛛的大囊狀腺體為例，它的腺體是一個單獨的大囊，大囊尾部有一段長尾，在長尾內會分泌蛛絲蛋白。大囊的另一端，連接了一根直徑由粗變細的導管，導管分成了三個“之”字形分支，絲蛋白在導管中的濃度，從第一分支向第三分支遞增，最終達到20%～30%(質量分數)的濃度。在導管的末端，連接著所謂的紡絲頭，紡絲頭內存在一個“閥門”，它像一個夾子一樣抓住剛剛開始固化的初生纖維，通過擠出初生纖維內多余的水分，最終使完全固化的絲纖維在紡絲頭中被拉出[15]。

早先，利用偏光顯微鏡對蜘蛛的導管和腺體進行研究后發現，儲存在腺體內和導管前部的蛛絲蛋白溶液，表現出了典型的液晶結構，這也是“液晶”模型名稱的由來[27]。該模型認為，當蛛絲蛋白剛剛在腺體后部被合成并分泌時，此時的蛋白分子鏈仍處于緊密纏結的狀態，形象地說，處于螺旋結構的分子鏈段緊密排列成棒狀。這些蛋白分子鏈，逐漸組裝成向列相的棒狀聚集體，且這樣的棒狀聚集體仍保持與腺體的分泌壁垂直的方向；當蛛絲蛋白離開腺體進入導管后，分子鏈的方向開始變得與導管流向平行。具體來說，在流經導管的第二分支前，絲蛋白分子仍一直保持了先前的向列相液晶態；隨著在第三分支內發生的離子交換過程和環境逐漸的酸化，絲蛋白分子鏈開始逐漸展開，而紡絲頭施加的拉伸和剪切作用，使得蛛絲蛋白的分子鏈取向排列，并將其互相靠近，最終形成絲纖維。

絲蛋白分子處于大囊和導管前部時，通過采取液晶相的結構，使得絲蛋白鏈在導管內仍具有緩慢流動的能力。而在后續的流動過程中，分子鏈通過調整自身取向使之與流向保持一致，又可以一定程度上避免蛛絲蛋白被拉伸作用撕裂成眾多小塊，這有利于避免絲纖維內缺陷的產生，也有利于提高絲纖維的力學強度。從“液晶”模型中可以看到，拉伸和剪切作用對于絲纖維內的結構轉變和絲纖維的力學性能起了重要的影響[27]。

至于“膠束”模型，則是基于蛛絲蛋白的一級結構，即，在蛛絲蛋白的氨基酸序列上，由于同時存在親水性和疏水性的氨基酸殘基，且這兩種殘基在分子鏈上交替出現，所以可以認為蛛絲蛋白具有一定程度的兩親性。正是由于親水殘基的存在，蛛絲蛋白在濃度較低時仍具有一定的溶解性[2]。而由于疏水基團的存在，蛛絲蛋白在水溶液中傾向于形成單分子鏈或多條分子鏈共同組成的膠束結構(類似表面活性劑)。隨著蛛絲蛋白的分泌，絲蛋白溶液在導管內的濃度增加，越來越多的膠束開始形成并產生凝聚，共同構成了更大的球狀結構。同樣是在紡絲頭，隨著剪切和拉伸，這些球狀結構沿著力的方向被拉長，同時，球狀結構中的疏水部分被拉伸后開始相互靠近，通過這些疏水部分的疏水相互作用，更進一步增強了初生纖維的穩定性，最終導致了固化的絲纖維[2]。

顯然，“液晶”模型和“膠束”模型最大的差別在于絲蛋白分子鏈在大囊腺體內的初始狀態不同(分別是液晶態的向列相棒狀聚集和膠束)。但需要指出的是，這兩種模型并非完全相互矛盾。比如，若絲蛋白分子采取了所謂的“溶致液晶”相時，便仍可以形成規整的膠束結構[15]。

3.2 絲蛋白分子折疊：“成核-結晶”理論及絲蛋白材料晶體網絡的介觀重構

之前描述的絲蛋白分子“自組裝機理”，盡管在一定程度上可以解釋“紡體”中絲蛋白結構構象轉變及絲纖維的紡出過程，但顯而易見，這兩種模型都十分看重拉伸和剪切的作用。在靜置的絲蛋白溶液內，盡管缺失了剪切力，但仍能自發形成眾多的納米微纖，這是之前的理論不能解釋的。考慮到微晶及晶體網絡結構重要性，本課題組提出了絲蛋白折疊成更高級結構的另一種模型，即，絲蛋白分子的“成核-結晶”模型。這種理論基于晶體生長理論，認為絲蛋白分子首先通過連續的兩個分子折疊過程，相繼形成β折疊和β微晶，然后通過連續生長，建立后續的晶體網絡。完整來看，絲蛋白材料主要結構的形成是由成核機制控制的。其中：第一步，絲蛋白分子通過成核完成由α螺旋和無規卷曲向β折疊的轉變；第二步，眾多β折疊通過互相堆疊(即結晶)形成β微晶；第三步，β微晶通過無定形鏈連接起來，形成具有納米“漁網”狀拓撲結構的微晶網絡(即納米微纖)；第四步，眾多的納米微纖進一步生長和相互作用，構成納米微纖網絡。在分子折疊過程中，改變成核路徑，調整成核動力學，就能改變絲蛋白材料在內的柔性材料的介觀結構(介觀重構)，從而完全改變其性能[15]。

眾所周知，結晶的熱力學驅動力來源于系統自由能的降低。對應到絲蛋白結晶，由于初始的絲蛋白分子大部分呈無規卷曲或α螺旋構象，這樣的絲蛋白分子保留了相當程度的柔性和可溶性，因而勢能較高。隨著絲蛋白分子的熱運動或溶液內的環境發生變化，當鄰近的絲蛋白分子距離縮小時(即局部濃度增加)，穩定α螺旋結構的分子內氫鍵被破壞，當分子間氫鍵形成后，絲蛋白分子開始轉變成β折疊結構。相比α螺旋和無規卷曲，β折疊的結構更穩定，且β折疊形成的速率正相關于絲蛋白分子的濃度，因此這樣的構象轉變過程實質上可以視為一個典型的成核過程。在第二階段內，隨著越來越多β折疊出現，β折疊之間的相互作用(如疏水相互作用、范德華力等“結晶力”)增強，促使來自不同分子的β折疊互相堆砌，導致了微晶的形成。在第三階段中，當剪切力(如“紡體”中紡絲口的拉力)存在時，剪切力會導致第二階段中形成的微晶沿著纖維軸向排列。當沒有剪切力存在時(如絲蛋白溶液內)，微晶的取向就傾向于無序。在第四階段，由于不同形式的絲蛋白材料中，納米微纖間相互作用的強度存在差異，且納米微纖排列方式不同，導致絲纖維和其他絲蛋白材料的力學性能存在顯著差異(見圖6)[12，28]。以上的“成核-結晶”理論，不僅可以解釋絲蛋白材料的晶體網絡結構和介觀多級結構的形成過程，并且能被用于指導絲蛋白材料的介觀結構重構和實現功能化[15]。

為了更好地闡述絲蛋白分子的“成核-結晶”理論，在此首先介紹成核和結晶的基礎知識。根據經典成核理論(CNT)，只有當成核勢壘被克服后，成核才會發生。此外，新形成的結晶核，只有在其尺寸超過臨界尺寸后才在熱力學上具有穩定性[13,29]。成核勢壘ΔG*和臨界晶核尺寸Rc的關系可以用公式(1)表示:

(1)

式中：ρc是核內的粒子密度；γ是區域表面自由能密度；Δμ是溶液相和結晶相之間的化學勢差值。實際上，正是因為化學勢存在差異，通過成核和結晶才能使整個體系的自由能降低。從公式(1)可以明顯看出，Δμ是決定成核勢壘和臨界尺寸的主要因素，理論上，Δμ符合公式(2):

(2)

式中:a和C分別代表溶液中的活度和濃度；k是玻爾茲曼常數；T是溫度；aeq和Ceq分別代表平衡活度和平衡濃度。以絲蛋白分子的成核和結晶為例，當改變絲蛋白分子的濃度，或改變絲蛋白分子的平衡濃度(這可以通過改變絲蛋白溶液的pH值、鹽離子強度和溫度等環境因素來實現)，就可以改變成核勢壘，從而影響絲蛋白的成核和結晶過程[13,29]。

3.2.1 調控熱力學驅動力

具體來說，在絲素蛋白超分子材料的成核動力學中，主要需要關注的因素是蠶絲溶液濃度及溫度。這兩個因素共同組成了結晶成核的熱力學驅動力：過飽和度。通常來說，成核速率J直接取決于其過飽和度，如公式(3)所示[13,29-30]:

(3)

式中：γcf代表結晶相和流動相的表面自由能密度；σ是過飽和度；k是玻爾茲曼常數；T是溫度；B是常數。顯然，過飽和度不僅與成核生長能壘密切相關，還會對成核速率、數目等起決定性的影響：體系的過飽和度較高時，結晶體系的成核速率及成核數目會增加，晶體結構的錯配/晶界/缺陷也會相應的增加，整體體系最終有序度會下降，晶體網絡也會趨于開放和多孔化。鑒于過飽和度對成核動力學的重要意義，通過調控合適的過飽和度，可以定向設計晶體結構及介觀重構后續的更高級結構。具體來說，當絲蛋白分子濃度過低時，結晶所需要的時間過長，甚至不會有結晶發生。適當提高絲蛋白分子濃度可以有效增加結晶的可能性。當分子濃度過高時，絲蛋白分子結晶的速率過快，短時間內可以形成大量的晶核，這導致后續的晶體生長過程中由絲蛋白分子從溶液相向結晶相轉變所需要的時間不足，將使絲蛋白分子更傾向于自組裝成具有不規則結構的聚集體而非結構高度規則的β微晶。與改變絲蛋白分子濃度用以直接改變過飽和度的方法相比，當絲蛋白溶液內加入特定離子或者更改pH值時，往往會導致絲蛋白分子的溶解度發生變化(即所謂的“鹽析”效應或分子帶電)，繼而影響絲蛋白分子的過飽和度，同樣會直接影響絲蛋白分子的結晶過程。

圖6 絲蛋白材料的介觀重構圖 (a)絲蛋白分子的去折疊和重新折疊過程示意圖，蠶繭經過脫絲膠、溶解、透析的過程后得到再生絲素蛋白溶液，再通過重新折疊，形成介觀多級結構，其中，與性能最直接相關的關鍵結構因素包括微晶和晶體網絡[28]；(b)絲蛋白分子“成核-結晶”機理的示意圖，絲蛋白分子的結晶必須克服所謂的成核勢壘，當勢壘較高時，可以通過異相成核的方式降低，促進絲蛋白分子結晶成微晶和微晶網絡[12]Fig.6 Mesoscopic reconstruction of SF (a) Illustration of the SF protein unfolding process/refolding process, upon sericin removal, dissolve and dialysis, silk cocoons can be applied to prepare regenerated SF solutions, SF molecules in solution will spontaneously undertake refold/fold and form the mesoscopic hierarchical structures of silk materials, among different levels of structures, the key structural factors that mostly influence the macroscopic mechanical performance of SF materials are theβ-crystallites and crystal networks[28]; (b) scheme of the “nucleation-crystallization” mechanism, only after thenucleation barriers are overcome, the nucleation of SF molecules can occur, heterogeneous nucleation triggered by templating seeds can lower nucleation barrier, so as to promote SF molecules nucleation and formation of crystal network[12]

3.2.2 引進分子成核誘發劑(種子)促進異相成核

上述過程所描繪的場景中，絲蛋白分子發生成核的概率在整個系統中是處處均一的，這樣的成核過程稱之為均相成核。在實際的成核過程中，由于均相成核具有相當高的成核勢壘，往往很難直接發生。在這樣的情形下，考慮到體系中總是存在著異物或者基底(如雜質顆粒和盛放溶液的容器壁)，發生成核的概率就無法處處均一。當這些異物或者基底能與溶液中的分子發生強烈的相互作用時，這些異物或基底便能顯著地降低成核勢壘；換句話說，在這些異物或基底的附近，發生成核的概率要遠高于系統中其他部位。這種成核途徑，被稱為異相成核。對于絲蛋白材料，盡管它們本身已經具有優異的生物相容性和力學性能，然而單一組分的絲蛋白材料的結構可調性還是無法拓展。采用添加分子成核誘發劑(種子)誘導絲蛋白分子異相成核的方法，可以較大范圍地調整蠶絲蛋白材料的成核動力學后續的介觀結構重構，實現構建多組分復合的蠶絲蛋白超分子介觀材料。

關于異物或基底對成核勢壘降低的能力，可以用界面相關因子f(m)來量化。其中，參數m描述了晶體相與異物或基底之間的結構匹配程度。具體來說，若二者完美匹配，則認為此時的界面相關因子f(m)約等于0。這意味著，當成核相能在異物或基底上發生結構有序且定向的排列時，成核勢壘會完全消失。與之相反，當結構匹配程度較差時(即f(m)趨近于1時)，這樣的異物或基底與成核相幾乎沒有任何結構上的相似性，在這種極端情況下，成核勢壘等同于均相成核。在實際的異相成核過程中，界面相關因子的值通常在0到1之間浮動，這表明實際的初級成核過程總是在一定程度上受到異相成核的控制[13]。對蠶絲蛋白超分子材料的研究是一種極大的促進。如方程(4)所示:

(4)

式中：A是常數；f是描述異相成核相比均相成核時成核勢壘下降的比例。只要介觀成核模板的類型和其他條件保持不變，β微晶的成核速率J應與介觀成核模板密度N0成正比[13,29]。此外，由于添加劑分子會參與到絲蛋白β微晶的成核速過程，不同的添加劑分子與蠶絲蛋白的相互作用強度會有所差異，同時不同添加劑分子的分子大小及結構強度也不相同，而這些對蠶絲蛋白材料中β微晶的成核及結構都會有很大的影響。因此，當添加具有不同特性的添加劑時，理論上可以制備出相應的蠶絲蛋白復合超分子材料，以期獲得一定程度上具有添加劑分子性質的功能化絲蛋白材料。迄今，已有多種種子，包括(但不限于)角蛋白、BSA、BMP、PAA、PSS等被用于分子成核誘發劑[31]。例如，Chen等[31]已證實，單分散的表面修飾有功能化羧基的聚苯乙烯(PS)納米顆粒可以作為一種理想的異物，誘導絲素蛋白在其表面發生異相成核。具體來說，由于這些納米顆粒表面的羧基可以通過和絲素蛋白肽鏈上的氨基發生氫鍵作用，能降低絲素蛋白的成核勢壘，從而加快絲蛋白分子成核，促進β折疊和β微晶網絡的形成。這已經分別通過激光共聚焦顯微鏡和掃描電鏡實驗進行了證實。而Ma等也證實，單分散的碳納米管(CNTs)也可以作為一種有效的分子成核誘發劑(見圖7)[32]。值得一提的是，這樣得到的復合蠶絲纖維，不僅由于介觀結構重構改善了力學性能，還由于碳納米管參與到蠶絲纖維的結構中，賦予了復合材料一定的導電性，為該復合材料應用在后續的柔性電子器件中提供了可能[11]。

除了聚苯乙烯和碳納米管，石墨烯也被證實能對絲蛋白分子的成核與結晶過程產生影響。Ling等[33]證實，當石墨烯片層加入絲素蛋白水溶液并浸泡一段時間后，納米微纖會在石墨烯片層的表面發生選擇性極強的聚集。而在石墨烯片層沒有覆蓋的基底上，則鮮有納米微纖的形成與分布(約1%)。這種富集作用，本課題組認為是來源于疏水性的石墨烯片層與絲蛋白分子間的強烈疏水相互作用。

以上通過引進分子成核誘發劑(種子)促進異相成核來調控絲蛋白分子的結晶動力學，必然導致后續絲蛋白材料的介觀結構重構，例如改變材料的結晶度和晶體密度即取向度等，最終實現絲蛋白材料的宏觀性能改變。比如，Chen等[31]的實驗結果證明，添加聚苯乙烯小球后的復合纖維的斷裂強度和彈性模量比單純組分的再生蠶絲纖維幾乎翻了一倍，且當添加的聚苯乙烯小球濃度控制在一定的范疇內時，制得的復合纖維的斷裂強度會隨著添加物濃度增加而升高。至于多壁碳納米管對復合絲蛋白材料性能的影響，也同樣被證實，當添加的碳納米管的質量分數小于1%時，可以顯著提高復合蠶絲纖維的韌性。而當碳納米管濃度進一步增加后，復合纖維的性能反而變差。值得注意的是，并非所有的分子成核誘發劑都有利于絲蛋白分子的異相成核，當添加物本身具有高度的自組裝傾向時，這樣的添加物在加入紡絲原液后會快速形成添加物團簇，而這樣的團簇會成為復合纖維內的缺陷，導致復合纖維的力學性能下降。對于這樣的添加物來說，加入合適的表面活性劑使添加物在紡絲原液內均勻分散就顯得特別重要。如前所述，這種通過添加特定添加物制備復合人工紡絲纖維還具有另一個優勢：由于特定添加物可能具有自身獨特的性能，當添加物被摻雜進復合人工紡絲纖維的多級結構中后，還很有可能實現介觀摻雜，即制備功能化的絲蛋白材料[34]。

3.2.3 介觀摻雜功能化

基于柔性材料多級結構的形成，主要是由成核控制這一事實, 在柔性材料折疊過程中，加入功能性納米“種子”，能使其嵌入到柔性材料的介觀結構中，使其具備原先單一組分的柔性材料不具備的一些功能[11]。介觀功能化的概念如下:將功能化分子或功能納米粒子組裝到絲蛋白材料的介觀網絡中，使絲蛋白材料在保持原有特性的基礎上，被賦予全新的功能，實現復合絲蛋白材料的介觀功能化(見圖8)[34]。通過介觀功能化，已成功制備出具有新性能的絲蛋白材料，如發光、導電、發熒光、磁性等[8,10-11,33,35-39]。

圖7 (a)添加不同聚苯乙烯小球后的復合絲素蛋白溶液的溶膠-凝膠轉變過程;(b)添加了不同聚苯乙烯小球后的復合絲素蛋白溶液的光密度變化過程;(c)成核速率與添加的分子成核引發劑濃度N0的線性關系;(d)模擬顯示絲蛋白分子傾向于聚集在碳納米管周圍;(e)模擬的絲蛋白-碳納米管復合體;(f)將聚苯乙烯納米顆粒浸入絲蛋白溶液30 min和120 min后，利用掃描電鏡對其形貌進行表征，能清楚觀察到直徑約為30 nm的納米微纖出現在顆粒表面;(g)絲蛋白-碳納米管復合絲蛋白材料的介觀結構重構的示意圖;(h)通過原子力顯微鏡觀察到的絲蛋白納米微纖網絡;(i)通過原子力顯微鏡觀察到的絲蛋白納米微纖-碳納米管復合網絡[11,32]Fig.7 (a) Storage moduli of SF-PS mixtures at various PS concentrations as a function of time; (b) variation in the normalizedoptical density (OD) of neat SF solution and SF-PS mixtures with different PS concentrations; (c) linear correlation betweennucleation rate J and density of the added nucleation seeds N0; (d) representative all-atom simulation snapshots of the initial SF-CNF structure (five silk biomolecules) and those after relaxation (last structure). Blue and orange colors represent CNF and SF, respectively; (e) morphology of the SF-CNF assembly; (f) scanning electron microscopy (SEM) images of thePS particles incubated in the SF solutions for different periods; (g) schematic illustrations of the mesoscopic network reconstruction(SF-CNTs); (h) atomic force microscopy (AFM) image of SF nanofibrils networks; (i) AFM image of CNTs/SF hybrid mesoscopic networks[11,32]

圖8 (a)絲蛋白柔性材料功能化和納米種子與絲蛋白分子的相互作用協同示意圖;(b)通過種子對絲蛋白分子折疊過程中的誘導成核，不同功能性納米種子，如金納米簇、銀納米簇、碳納米管、上轉換粒子、石墨烯等，都可以被摻雜到柔性材料的介觀結構中，實現介觀柔性材料的功能化[33-34,38-40]Fig.8 (a) Schematic of mesoscopic SF functionalization and interaction synergy of nano seeds with SF; (b) brief summary of nano seeds (e.g., gold nanoclusters, silver nanoclusters, carbon nanotubes, upconverting nanoparticles, graphene) used to functionalize SF and the potentially enhanced properties[33-34,38-40]

除了上文提到的通過碳納米管制備導電絲蛋白材料，ZnSe、CdTe等量子點也可以作為功能化組分，通過分子識別功能化，成功組裝到蠶絲纖維和絲蛋白薄膜中，制備可以發出白光的蠶絲膜光學器件(見圖9)[10]。類似地，將上轉換納米粒子組裝到絲蛋白支架的介觀結構后，通過紅外激光，能實現深入體內的無線充電、信息交換與近紅外醫學成像(見圖10)[10,28,34,40]。

圖9 量子點功能化電致發光蠶絲膜及器件[10](a)各種類的量子點在302 nm激發光下的熒光光譜，插圖為相應的光學照片;(b)量子點與絲蛋白復合膜及器件的電致發光能力穩定;(c)顯示量子點絲蛋白復合膜的電致發光能力的照片Fig.9 Quantum dots incorporated into mesoscopic SF membranes to synthesize functional electroluminescence devices[10](a) characterization of different quantum dots which were embeded into composite SF membranes; (b) SF/QDs composite membranes display stable electroluminescence ability; (c) image showing electroluminescence ability of the SF/QDs composite membranes and devices

圖10 絲介觀光子晶體與上轉換粒子介觀功能化結合組成介觀光子器件，通過紅外激光，可以實現對生物體內植入器件深入體內的無限充電、信息交換與控制[10]Fig.10 By functionalize mesoscopic silk photonic crystals with upconverting nanoparticles (UCNPs), mesoscopic functional photonics devices can be synthesized and been applied in areas of implantable medical devices[10]

圖11 利用介觀功能化策略所構建的銀納米簇摻雜絲蛋白基柔性憶阻器[12,37]。(a)相關的TEM照片，展示嵌入到絲蛋白材料結構中的銀納米簇尺寸；(b)銀納米簇摻雜絲蛋白材料的原子力顯微鏡高度圖(左)和表面開爾文電勢分布圖(右)。電子阱(納米環區域)由于銀納米簇的存在，容易導致電子的積累，呈現較低的電勢；(c)電勢分布；(d)經典密度泛函理論Poisson-Nernest-Planck模擬Fig.11 Silver nanoclusters doped silk fibroin based flexible memristor constructed by mesoscopic functionalization strategy[12,37](a) TEM image of functionalized SF-based memristor; (b) AFM image and Kelvin probe force microscopy (KPFM) images of AgNC (white circles)-functionalized SF film, the electronic wells are 200 nm in size and have significantly lowelectric potentials due to the accumulation of electrons at the surface; (c) corresponding electronic potential; (d) simulation ofclassical density functional theory using the Poisson-Nernst-Planck model

至于如納米金簇、銀簇介觀功能化的蠶絲材料，由于其介觀電子結構與本征蠶絲材料完全不同，還可以將之用于構建全新的、性能優異的柔性介觀憶阻器。最近，利用基于絲蛋白的柔性介觀憶阻器及人工神經突觸元器件方面，已經取得了突破性的進展(見圖11)[12,37]。與同類有機生物元器件相比，其速度是有機生物材料的上百倍，耗電只是最好的同類有機生物電子器件的十分之一，開關比達到1 000，且重復性、穩定性十分優異。該特性可在電場作用下實現對材料憶阻性能的優化調控，得到擦寫速度達10 ns的超快蛋白質基阻變存儲器，比純蠶絲以及目前所報道的蛋白質、有機基憶阻器快二到三個數量級。如此快的擦寫速度，甚至可以與頂級無機類材料憶阻器相媲美[12]。這證實了介觀功能化策略在柔性材料功能化領域具備極大的推廣價值，可為柔性電子器件提供新的設計思路及理論基礎。同時，對未來實現可植入生物電子傳感與計算、在實時人工智能計算、遠程人性化人工智能醫療等，具有開創性意義。值得一提的是，基于導電絲蛋白材料的柔性電子器件，還已經被證實可以用于發展各種性能優異的蠶絲柔性介觀傳感器，包括蠶絲蛋白基柔性壓力傳感器、拉伸傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、生化傳感器(pH傳感器、血糖傳感器、尿酸/乳酸傳感器)等[12,41]。

4 晶體生長理論在其他絲蛋白材料中的應用

由于絲蛋白分子良好的生物相容性、可控的降解速率及獨特的光學和電學性能，利用絲蛋白分子構建新一代的綠色生物材料器件具有非常大的前景。人類利用天然蠶絲纖維已有數千年歷史，近年來，越來越多的學者也開始對絲纖維介觀結構與宏觀力學性能之間的關系進行研究。這些研究不僅深化了對絲纖維的認識，獲得的知識和經驗還指導了科研人員如何制備性能優異的非纖維狀絲蛋白材料，如絲蛋白薄膜，水凝膠及支架材料。與上文中制備力學性能提升的絲纖維的方法類似，在制備非纖維狀的絲蛋白材料時，同樣也可以利用晶體生長理論作為指導，在介觀尺度上對其多級結構特別是晶體和晶體網絡進行重組，最終實現其力學性能的提升和功能化。在本小節中，將以絲蛋白薄膜為例，介紹晶體生長理論在其中的應用。利用絲蛋白水溶液制備絲蛋白薄膜時，傳統的方法包括澆筑法和旋涂法。這兩種方法的基本原理都是設法將溶劑分子從絲蛋白溶液中去除，從而增加絲蛋白分子的局部濃度(即過飽和度)，最終引起相分離和結晶(即成膜)。首先以澆筑法為例闡述絲蛋白薄膜的成膜過程。在絲蛋白溶液中，絲蛋白分子仍處于無規卷曲或α螺旋構象,所以此時的絲素蛋白分子仍然是可溶。當一定體積的絲蛋白溶液被澆筑在不同的基底后，伴隨著水分子的逐漸蒸發，絲素蛋白分子的濃度逐漸升高，考慮到之前提過的“成核-結晶”機理，顯然，這樣的過飽和度增加可以引發素蛋白分子的結晶，最終形成絲蛋白薄膜。而在旋涂法中，除了溶劑自發蒸發過程帶來的過飽和度增加，在溶液被旋轉過程中產生的剪切力，也同樣對絲素蛋白分子的結晶動力學產生重要影響。

以上兩種方法雖然簡單易行，但仍具有一定的局限性。澆筑法制備的絲蛋白薄膜常常產生皺縮現象。而對于旋涂法制備的絲蛋白薄膜，又常常由于剪切力的分布，導致薄膜邊緣的厚度高于中央。近年來，為了制備厚度可控、形貌理想、具有特殊用途的超薄或特種絲蛋白薄膜，學界和工業界投入了大量精力并提出了以下幾種方法。

Bressner等[42]報道了一種所謂的“電凝膠成膜”技術，該技術使用具有特殊閉環結構的陽極作為模板，通過施加電場來促進絲素蛋白分子的溶膠-凝膠轉變，可以短時間內得到形狀由陽極決定的絲蛋白凝膠。隨后，將該凝膠進行干燥處理，便可以獲得透明的絲蛋白薄膜。顯然，這種方法最大的優點是可以很方便地制作特定形狀的絲蛋白薄膜。

Jiang和Tsukruk等[43]開發了一種先進的“旋涂輔助多層沉積”(spin-assist layer-by-layer, SA-LBL)的技術來實現對絲蛋白薄膜厚度的精確控制。這種技術可以通過控制旋涂的次數來精確地調節絲蛋白膜的厚度。基于類似的思路，Wang等[44]也開發了一種“逐步沉積”的方法，制備了厚度可控的多層絲蛋白膜。

與絲纖維材料類似，絲蛋白薄膜的宏觀力學性能，也在很大程度上取決于內部的介觀結構。舉例說，絲蛋白薄膜的結晶度便與它的力學穩定性和降解率直接相關。薄膜內二級結構(特別是α螺旋)的含量，則與薄膜的透氣性和透水性直接相關。為了提高絲蛋白薄膜的穩定性和模量，迄今已存在不少方法，如,將絲蛋白薄膜浸漬入甲醇或乙醇中，水蒸氣退火處理[45]，將絲素蛋白溶液與其他高分子進行摻雜后制備復合絲蛋白薄膜[45]，將制備的初生絲蛋白薄膜進行單軸后拉伸等(見圖12)[15,46]。上述方法實質上是對絲蛋白薄膜內部的多級結構進行了介觀重構，而且，這些方法都符合本課題組提出的絲蛋白分子“成核-結晶”理論。

圖12 (a)對絲蛋白薄膜進行乙醇處理后，β折疊的含量上升[47]；(b)將不同比例的絲蛋白分子和羊毛角蛋白分子進行混合，制備的復合蛋白薄膜的力學性能會隨著比例而變化[45]；(c)對絲蛋白薄膜進行單軸后拉伸，內部微晶的取向變好，抗斷裂能力隨之增強[15,46]Fig.12 (a) Inuence of ethanol treatment on β-sheet content, the incorporation of ethanol would increase content of β-sheet[47]; (b) mechanical performance of SF/WK composite films can be altered by changing the ratios of WK[45];(c) after extension, the orientation function is improved so that the breaking strength of SF films become larger[15,46]

與初生絲蛋白纖維相似，初生的絲蛋白薄膜由于內部的結晶度較低，所以力學性能較差。此時可以采用甲醇或乙醇浸漬的方法，促進絲蛋白分子從無規卷曲或α螺旋向β折疊的構型轉變，從而提高絲蛋白薄膜的結晶度和力學性能。至于單軸后拉伸對絲蛋白薄膜結構的影響，則與人工紡絲中對絲纖維進行后拉伸的處理類似。單軸后拉伸前后的絲蛋白薄膜的WAXS光譜清楚顯示，單軸后拉伸可以顯著提高薄膜內的絲蛋白分子鏈的取向度(使之沿著單軸拉伸方向重新排列)，相應地，薄膜的機械性能得到顯著增強。除了單軸后拉伸，制作絲蛋白薄膜的原液中絲蛋白分子的濃度、金屬離子的種類、制膜時的基底的選擇等因素，也會對絲蛋白薄膜的介觀結構和宏觀力學性能產生影響。具體來說，當絲蛋白溶液的濃度增加時，獲得絲蛋白薄膜的速率會加快。當絲蛋白溶液的濃度在一定范圍內時，薄膜的厚度還與加入溶液中的金屬離子(如鈉離子)的濃度成正比。這是因為金屬離子加入后可以提高絲蛋白分子間靜電相互吸引作用，因此有利于結晶(即成膜)。至于基底的影響，現已證實絲蛋白分子更容易在疏水基底上發生成膜。這是因為疏水基底更容易與絲蛋白分子發生疏水相互作用，從而促進絲蛋白分子在這樣的基底上發生成核和結晶行為。與復合絲蛋白纖維一樣，將絲蛋白溶液中混入特定的高分子聚合物(如羊毛角蛋白等)，也可以制備性能可調控的復合絲蛋白薄膜[45]。不僅如此，改變絲蛋白和羊毛角蛋白的比例，還可以方便地調節復合薄膜的彈性和可降解能力。具體來說，當絲蛋白比例較高時，會導致復合薄膜內的β折疊含量增多，因此有利于增加其韌性，減少其降解能力。與之相反，當羊毛角蛋白含量較多時，α螺旋含量會增多，這樣的復合蛋白薄膜柔性和彈性更好，且更容易從形變中恢復[45]。

5 結語與展望

本文對柔性材料特別是絲蛋白材料的晶體和晶體網絡結構進行了深入而詳細的闡述，重點討論了絲蛋白分子折疊過程中涉及的“成核-結晶”機理，并證實了該機理的正確性。在該機理的指導下，還拓展了多種控制絲蛋白分子成核與結晶的技術手段，相應地對絲蛋白材料的結構進行介觀重組，最終實現了性能的改善和介觀摻雜功能化。這種思路為未來創造更強的高性能軟物質材料提供了理論指導，并指明了發展方向。

劉向陽，教授，國家特聘教授，教育部長江學者，博士生導師，廈門大學生物仿生及軟物質研究院院長。發表SCI論文400多篇，其中頂級雜志>90篇(Nature3篇)，出版英文專著6部。主要研究領域為晶體生長、仿生材料、柔性材料及相關功能化、柔性電子、柔性傳感器件和能源器件，表面以及膠體科學。在國際國內學術會議及研討會上作大會報告及邀請報告150余次，主辦國際會議30余場。擔任亞洲晶體生長和晶體技術協會第五屆主席，國際晶體生長協會理事，AdvancedFunctionalMaterials(Wiley, 2016)、Small(Wiley, 2015)、SmallMethods(Wiley, 2020—2021)、《物理學報》(編輯，2016—)等雜志專刊客座主編。