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一、研究背景與意義

嘿，大家好！今天咱們來聊聊合成絲纖維。像絲綢這類基於蛋白質的材料，因為它們出色又能調節的機械性能，越來越受關注啦。天然蜘蛛絲纖維可厲害呢，拉伸強度和鋼鐵差不多，韌性也超強，能和尼龍、凱夫拉織物媲美。雖然現在重組技術合成的絲綢纖維還沒法完全趕上天然的，但它也有很多優點，像強度高、有韌性、有彈性、可降解、生物相容性好，還能抗菌呢。這些優點讓它在醫療縫合線、蛋白質粘合劑、血管移植物等好多領域都有應用。

不過呢，合成像蜘蛛絲這樣又強又韌的蛋白質纖維，有個大難題，就是搞清楚蛋白質序列和紡絲後拉伸過程之間的關係。以前的研究雖然揭示了一些絲綢纖維力學的關鍵資訊，但都沒把各向異性的分子描述和纖維機械性能直接聯繫起來。在這篇研究里，咱們要通過類比來看看拉伸過程怎麼影響絲綢纖維的性能，這對以後做預測模型可太重要啦！

二、類比方法介紹

為了研究這個問題，研究人員用了一種叫耗散粒子動力學（DPD）的方法，把絲綢看成溶劑里的簡單二嵌段共聚物。在模擬的時候，有不同分子量（MW）的蛋白質，分別是由2、8、16個親水/疏水蜘蛛絲基序重複組成的，濃度都是20%（w/v）。這個濃度在合成高MW絲綢擠出時常用，但比天然的低，天然的能達到50%（w/v）呢。

在模擬絲綢拉伸的時候，研究人員會在系統平衡後，給每條蛋白質鏈兩端施加大小相等、方向相反的拉力（Fp）。不過這個模型還沒確定合適的斷鍵標準，所以拉力不能太大，不能讓蛋白質斷裂，最大就用到222pN。整個模擬過程是先讓系統平衡，讓肽聚集成膠束結構，；然後加拉力拉伸蛋白質；最後釋放拉力，進行單軸拉伸變形測試，看看纖維的機械性能。這個過程中，會用赫爾曼取向參數（s）和末端距（Ree）來衡量蛋白質的取向和拉伸程度。

三、拉伸力對分子取向和排列的影響

施加拉力（Fp）后，蛋白質的取向和排列會發生變化。對於n=16的蛋白質，隨著類比步驟推進，Ree和s的值會隨著Fp改變，而且在拉伸變形階段也有變化。低Fp和低MW的情況下，有時候在鬆弛階段s會降到初始值，但在變形階段，Fp=22.2pN和FP=0pN（未拉伸情況）還是有明顯區別的。

長一點的蛋白質在Fp作用下更易拉伸，但要達到和短蛋白質一樣的取向程度，就得用更大的力。為了更好地描述不同MW蛋白質的拉伸和取向關係，研究人員定義了兩個變數，輪廓長度歸一化末端距（Ree/Nmb）和拉伸比（λee）。

低MW系統隨著力增加，很容易達到高取向程度，而且Ree/Nmb的值更高；λee對高MW蛋白質的力更敏感，在相同取向程度下，λee的值更高。

四、分子取向對氫鍵和均方位移（MSD）的影響

在很多聚合材料裡，應變誘導結晶和氫鍵有關，在絲綢里也是。在這個DPD模型裡，研究人員給“a”型珠子之間加了個非鍵諧波勢項，來表示氫鍵形成的傾向。當兩個“a”型珠子距離在氫鍵勢能函數的截止距離（Rc=9.321A˚）內，就認為形成了氫鍵。

對於研究的所有MW蛋白質，拉伸后整體氫鍵數量會適度增加，大概在3%-8%，這和之前濕紡絲綢纖維的實驗結果差不多，之前實驗里拉伸比為7時，結晶度增加了10%左右。研究人員還發現，隨著s0增加，蛋白質間氫鍵（HBinter）在總氫鍵（HBtot）裡的佔比會增加，而且在高s0和高MW的情況下，這種趨勢更明顯。不同取向程度下系統的結構變化，能看到膠束結構轉變成類似薄片的結構，這可能就是高s0和高MW時蛋白質間氫鍵密度增加的原因。

五、類比機械性能包絡線趨勢的再現

給系統施加不同的Fp，得到不同取向程度的系統後，研究人員進行單軸拉伸變形類比，來研究和s0相關的機械性能。從拉伸測試結果能看到，不同MW的系統，隨著s0增加，機械性能有明顯變化。比如，n=2系統，s0=0.92時的最大應力（σm），比n=8系統s0=0.57時高了近100倍；n=16系統s0=0.47時，比n=8系統s0=0.57時強度高250%，最大應變（ϵm）增加了近4倍，這就體現出MW對蜘蛛絲纖維強度和韌性的重要性。

對於每個MW的系統，ϵm和σm之間有明顯的負相關關係，就是說在拉伸過程中，隨著σm因為蛋白質取向和拉伸增強，ϵm會減小。σm和彈性模組（Ey）與s0正相關，ϵm與s0負相關。韌性（UT）在n=8系統裡，隨著s0增加先明顯增加，然後趨於平穩；在n=16系統裡則是持續慢慢增加。

六、實驗驗證與理論分析

研究人員用重組方法合成蜘蛛絲纖維，和模擬結果進行對比。合成的16xFGA蛋白質纖維經過拉伸后，用拉伸測試和拉曼光譜進行表徵。

隨著拉伸比（λdraw）增加，纖維的機械性能有變化，像σm和ϵm持續增加，UT在拉伸比大於3後有波動，但和λdraw關係不明顯。

為了看看晶體區域的排列情況，研究人員用偏振拉曼光譜進行檢測，通過計算醯胺Iβ片峰在平行和垂直方向的強度比（Iy/x）來衡量。隨著λdraw增加，Iy/x減小，說明晶體區域排列更好，這和類比中n=16系統裡s0和λee的關係一致。除了低拉伸比時類比沒體現出的脆性，類比和實驗在機械性能趨勢上基本吻合。

七、研究總結與展望

現在機器學習發展很快，對大量數據和模型的需求也越來越大。在蜘蛛絲研究領域，能把機械性能數據和氨基酸序列聯繫起來的數據還比較少，同時考慮加工和序列參數的數據就更少了。這篇研究用一種計算成本低的粗粒化分子動力學方法，找到了合成絲纖維機械性能和拉伸取向的關係。

不過這個研究也有一些不足的地方。比如模型現在還沒有考慮到一級序列的解析度，雖然可以用一些方法改進，但還需要進一步研究。而且模型忽略了合成絲綢紡絲的最後擠出步驟，這會影響類比結果和實際纖維性能的對比。另外，類比中還存在一些變化和不確定性，像不同起始配置的類比，機械性能有波動，但還沒找到相關變數。

儘管有這些問題，這篇研究還是給絲綢建模提供了新的思路，希望以後能發展出更好的方法，準確預測絲綢和其他生物材料的性能，把序列、加工和性能之間的關係研究得更透徹。要是大家還想深入瞭解研究的具體方法和數據，論文里有詳細的材料和方法部分，還有補充材料可以查看哦！

八、一起來做做題吧

1、關於合成絲纖維研究背景，說法正確的是

A.天然蜘蛛絲纖維拉伸強度不如鋼鐵

B.重組合成的絲綢纖維已完全具備天然絲綢的機械性能

C.合成強韌蛋白質纖維的關鍵難題是瞭解蛋白質序列與紡絲后拉伸過程的關係

D.以往研究已將各向異性分子描述與纖維機械性能直接聯繫起來

2、在模擬絲綢拉伸實驗中，施加拉力（Fp）的目的是

A.使蛋白質鏈斷裂

B.誘導蛋白質的有序化和伸展

C.讓蛋白質聚集成膠束結構

D.降低蛋白質的分子量

3、關於分子取向對氫鍵和MSD的影響，下列說法錯誤的是

A.拉伸后整體氫鍵數量會適度增加

B.隨著s0增加，蛋白質間氫鍵在總氫鍵里的佔比會減少

C.增加MW或s0能降低MSD

D.MSD與彈性模組有關

4、在類比機械性能包絡線趨勢的實驗中，下列說法正確的是

A. n=2系統的最大應力始終高於n=8系統

B. ϵm和σm之間呈正相關關係

C. 韌性（UT）在n=8和n=16系統中的變化趨勢相同

D. σm和彈性模組（Ey）與s0正相關

5、關於合成絲纖維研究的總結與展望，下列說法錯誤的是

A.該研究已精確考慮了一級序列的解析度

B.模型忽略了合成絲綢紡絲的最後擠出步驟

C.類比存在變化和不確定性，機械性能有波動

D.此研究為絲綢建模提供了新的思路

書目：

Jacob J. Graham et al. Charting the envelope of mechanical properties of synthetic silk fibers through predictive modeling of the drawing process. Sci. Adv.11, eadr3833(2025).