静电纺丝诱导蛋白纤维的取向

　　Biomacromolecules：静电纺丝诱导蛋白纤维的取向
　　DOI: 10.1021/acs.biomac.0c00500 淀粉样蛋白纤维是在实验室通过控制热处理由蛋白质制备而成的，但这些纤维必须经过进一步组装，以符合生物纤维所需的机械和结构特性。在此，通过静电纺丝将β-乳球蛋白纤维掺入到直径为40-180 nm的聚（环氧乙烷）纤维中。蛋白纤维呈短节状分散在电纺纤维中，电纺后原纤维直径没有变化。成像分析显示，纤维相对于纤维长轴在20°范围内排列，并且通过偏振FTIR和各向异性SAXS/WAXS散射图进一步确认了纤维排列。纤维的弹性模量随蛋白纤维含量从0.8 GPa增至2 GPa，优于丝、胶原蛋白和明胶的报道值。本装置可以制备大量含有不同直径和机械强度的蛋白纤维的聚合物纤维，在多种应用中具有巨大的潜力。
　　图1.在与PEO混合之前（a-c）、与PEO混合之后（d-f）、与PEO静电纺丝并随后将PEO溶解在水中（g-o），β-乳球蛋白纤维（PF）的形态显示：a，d，g，j，m）PF的AFM显微照片，每个图像的右侧均标有高度比例。b，e，h，k，n）从AFM显微照片测得的PF轮廓长度（L）的分布，每个图像中均提供了平均轮廓长度（分别在b、e和h、k、n中使用了高斯拟合和洛伦兹拟合）；c，f，i，l，o）PF的TEM显微照片，具有更高放大倍数的显微照片作为插图。电纺和溶解的纤维包括4％PEO/PF 0.5％（g-i）、4％PEO/PF 1.5％（j-1）和4％PEO/PF 3％（m-o）。
　　图2.由PEO和PEO/PF溶液制备的定向电纺纤维：a，d，g，j）电纺纤维的AFM显微照片，其高度比例表示在每幅图像的右侧；b，e，h，k）电纺纤维的SEM显微照片，其中提供高倍图像作为插图，每幅图像左侧列出图像分析的平均纤维直径（字母表示平均直径之间的显著性差异），黄色箭头表示主要纤维方向的取向；c，f，i，l）每个电纺垫纤维的取向角的频率分布，每个样品的总频率取向在-20°和20°之间。不同的字母表示数据之间的显著性差异。样品包括4％PEO（a-c）、4％PEO和0.5％PF（d-f）、4％PEO和1.5％PF（g-i）以及4％PEO和3％PF（j-l）的混合溶液的电纺纤维。PF，蛋白纤维
　　图3.由PEO和PEO/PF溶液制备的电纺纤维的AFM显微照片：PEO或PEO/PF混合物的单电纺纤维（a-d）；电纺纤维与甲醛蒸气交联，然后用水冲洗（e-i）；用水漂洗的电纺纤维未经甲醛蒸气处理（l，m）；标有相同字母的图像中横截面高度的详细信息（j，k）。电纺纤维包括PEO（a，f，j）、PEO/PF 0.5％（b，e，g，k）、PEO/PF 1.5％（c，h，l）和PEO/PF 3％（d，i，m）。PF，蛋白纤维
　　图4.电纺纤维的TEM显微照片，显示内部轴向排列的蛋白纤维（PF）。a-d）用乙酸铀酰染色的交联电纺纤维；e-f）用乙酸铀酰染色的电纺纤维，没有交联，‘k’中的虚线突出显示了从纤维延伸的溶解膜的外围；g）电纺纤维中PF的取向角的分布，定义见插图。a）PEO；b）PEO/PF 0.5％；c，e）PEO/PF 1.5％；d，f）PEO/PF 3％。在每个图像中，黑色的双箭头表示电纺纤维的长轴，白色的箭头表示所指示的PF的宽度，‘f’中的黄色箭头突出显示一束PF。
　　图5.由PEO和PEO/PF溶液制备的电纺纤维的偏振FTIR光谱。a）显示相对于电纺纤维毡平面的偏振和IR光束方向的示意图。单独的电纺纤维方向用双箭头指示。b）显示酰胺A、酰胺I、β链和蛋白纤维的空间位置的示意图。酰胺I和A用椭圆形突出显示。c）用与电纺纤维的长轴平行（黑线）和垂直（红线）偏振的光收集的红外光谱。PEO/PF3％随机排列表示电纺纤维没有优先取向。PF，蛋白纤维
　　图6.WAXS对PEO和PEO/PF电纺纤维的表征，显示：a-c）2D WAXS模式，其中蓝色箭头表示电纺纤维的平均取向；d）径向平均WAXS强度随q的变化；e）对于q=1.25-1.45 Å-1，强度与方位角的关系；PF，蛋白纤维
　　图7.SAXS对PEO和PEO/PF电纺纤维的表征，显示：a-c）电纺纤维的2D SAXS模式，其中蓝色箭头表示纤维取向；d）实验（符号）和模拟（黑线）径向平均SAXS强度与q的关系。PF在β-乳球蛋白纤维2％（w/w）溶液中，pH为2；e）与AFM和TEM相比，由SAXS得出模型测定的蛋白纤维半径分布；f）对于q=0.015-0.2 Å-1，强度与方位角的关系；g）纺丝纤维中蛋白纤维取向的示意图。PF，蛋白纤维
　　图8.通过AFM纳米压痕法测量的PEO和PEO/PF电纺纤维的弹性模量，显示：a）电纺纤维的弹性模量与最大压痕深度（hmax）之间的相关性，其中在图7中突出显示了7-9 nm压痕深度为绿色；b）在7-9 nm压痕深度处的电纺纤维的平均弹性模量，其中字母表示明显不同的值；c）比较文献中的PEO和PEO/PF电纺纤维（绿色条）与其他各种电纺纤维或非纺PF*的实验弹性模量。PF，蛋白纤维
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