Überblick über natürliche Proteinfasern

Es gibt extrem reiche biologische Makromoleküle oder natürliche Makromoleküle in der Natur. Diese Materialien sind unerschöpfliche und unerschöpfliche Ressourcen, die die Natur dem Menschen zur Verfügung stellt. Besonders heute sind die Menschen mit der Krise der Erschöpfung von Erdöl und anderen nicht nachhaltigen Ressourcen konfrontiert. Natürliche Polymere finden aufgrund ihrer reichhaltigen Quellen und Nachhaltigkeit immer mehr Beachtung. Natürliche Polymere umfassen hauptsächlich Cellulose, Chitin und Chitosan, Stärke, Natriumalginat, Seidenprotein, Kollagen, Sojaprotein und Naturkautschuk. Da diese natürlichen Polymermaterialien eine besondere Biokompatibilität und biologische Abbaubarkeit aufweisen, ist ihre Verwendung seit langem nicht mehr auf das tägliche Leben wie Kleidung, Lebensmittel, Wohnen und Transport beschränkt. Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technologie erforschen immer mehr Wissenschaftler natürliche Polymere und ihre Anwendungen.

Unter den vielen natürlichen Polymermaterialien in der Natur ist der direkteste Grund, warum natürliche Tierseide besondere Aufmerksamkeit erhalten hat, ihre hervorragenden umfassenden mechanischen Eigenschaften. Als natürliche Proteinfaser kann Tierseide als ein spezielles Material beschrieben werden, das von der Natur durch Jahrmillionen der Anpassung und Evolution von Tieren geschaffen wurde. Es hat die perfekte Balance zwischen Festigkeit und Zähigkeit. Obwohl es erhebliche Entwicklungen in der Polymerwissenschaft und Materialverarbeitung, insbesondere in der Spinntechnologie, gegeben hat, können die umfassenden mechanischen Eigenschaften von synthetischen Fasern, die derzeit auf die optimalste Weise hergestellt werden, die von tierischer Seide in der Natur nicht übertreffen.

In der Natur gibt es etwa 113.000 Arten von Lepidoptera-Insekten und 30.000 Spinnenarten, die Seide spinnen können, von denen Seidenraupen und Webspinnen und ihre Seidenfasern am besten untersucht sind.

Maulbeerseide ist eines der ersten und größten natürlichen Polymermaterialien, von denen bekannt ist, dass sie verwendet werden, und ihr Protein ist auch das natürliche Fibrin, das vom Menschen am gründlichsten untersucht wurde. Da Maulbeerseide hat die Vorteile von speziellem Glanz, guter Luftdurchlässigkeit, starker Feuchtigkeitsaufnahme, gutem Handgefühl und gleichzeitig hoher Festigkeit, ist es als "Königin der Fasern" bekannt und wurde im Textilbereich eingesetzt. Darüber hinaus weist Seidenprotein als reines natürliches Polymermaterial gute mechanische Eigenschaften, Biokompatibilität und relativ gute Umweltstabilität auf, und sein Anwendungsbereich umfasste Lebensmittel, Medizin und Biotechnologie (z. B. Enzymimmobilisierungstechnologie auf Seidenproteinbasis) und tägliche Feinchemikalien (wie Kosmetika) und andere Bereiche.

Verglichen mit der weit verbreiteten Anwendung von Maulbeerseideobwohl Spinnen vor 400 Millionen Jahren auf der Erde lebten, ist die Erforschung und Nutzung von Spinnenseide bei weitem nicht so lang wie Seide. Dies liegt daran, dass Spinnen fleischfressende Tiere sind, insbesondere Kannibalismus; Außerdem spucken Spinnen Seidenfasern nicht auf einmal aus, wenn sie wie Seidenraupen reifen, sondern scheiden verschiedene Seidenproteine jederzeit und überall für den täglichen Bedarf aus, so dass es sehr ist Es ist schwierig, künstliche Züchtungen in großem Maßstab wie Maulbeerseidenraupen durchzuführen, um eine Industrie zu bilden; Darüber hinaus ist es auch schwierig, eine große Menge wilder Spinnenseide zu sammeln: Daher sind die Erforschung und Nutzung von Spinnenseide und ihrem Seidenprotein stark eingeschränkt.

Obwohl Spinnenseide bisher keine echten kommerziellen Anwendungsprodukte hat, haben ihre außergewöhnlich umfassenden mechanischen Eigenschaften potenzielle Anwendungsaussichten in Hochleistungsmaterialien. Insbesondere die große zystische Drüse (Hauptdrüsenseide) der Spinne ist aufgrund ihrer hohen Festigkeit und hohen Elastizität zu einer Art Proteinfasermaterial mit großer Anziehungskraft geworden, was bei Materialwissenschaftlern und Biologen großes Interesse geweckt hat.

Der natürliche Evolutionsprozess von Hunderten von Millionen Jahren hat nicht nur Lebensarten wie Seidenraupen und Spinnen weitergeführt, sondern auch die Zähigkeit von Tierseide geschaffen. Menschen verwenden seit Tausenden von Jahren tierische Seide, um Kleidung, Musikinstrumente und Angelausrüstung herzustellen. Archäologischen Funden zufolge begannen chinesische Vorfahren Mitte der Jungsteinzeit vor fünf- bis sechstausend Jahren, Seidenraupen zu züchten, Seide zu gewinnen und Seide bewusst oder unbewusst zu weben. Als bedeutendes Seidenproduktionsland hat China eine neue Ära der Zivilisation der Seidenkleidung der chinesischen Nation geschaffen. Gleichzeitig haben die Veränderungen der Zeit Seidenprodukten reiche kulturelle Konnotationen und historische Werte verliehen. Seit der Antike hat der wirtschaftliche und kulturelle Austausch zwischen China und dem Ausland, der aus dem Seidenhandel entstanden ist, einen unauslöschlichen Einfluss auf den Fortschritt der gesamten menschlichen Zivilisation. Die bekannte westliche Han-Seidenstraße im In- und Ausland förderte nicht nur den freundschaftlichen Austausch und kulturellen Austausch zwischen China und den Menschen in Asien, Europa und Afrika, sondern trug auch in gewissem Maße zum damaligen wirtschaftlichen Wohlstand bei. Bis Anfang des 20.Jahrhunderts, als synthetische Fasern wie Nylongarne nicht auftauchten oder in großem Maßstab verwendet wurden, wurde Seide immer noch zur Herstellung von Fallschirmen, Reifen und sogar Körperpanzern verwendet. während Spinnenseide aufgrund ihrer hohen Festigkeit, hohen Zähigkeit und feinen Gleichmäßigkeit war. Besonderheiten, die häufig als Fadenkreuz für optische Instrumente wie Visiere verwendet werden.

Heute interessieren sich Wissenschaftler immer noch für tierische Seide und Seidenprotein, hauptsächlich aus den folgenden Gründen.

1. Als Materialien sind tierische Seide und Seidenprotein Geschenke der Natur und werden nachhaltig produziert. In der heutigen Welt, in der fossile Ressourcen wie Öl, Kohle und Erdgas immer knapper werden, ist die Entwicklung und Nutzung solcher nachwachsender Rohstoffe besonders wichtig. Um zu überleben und sich zu vermehren, nutzen Spinnen und Seidenraupen verschiedene Tiere und Pflanzen als Nahrung für ihren täglichen Energiebedarf. Unter geeigneten Bedingungen können Seidenvorstufen, Seidenproteine, durch biosynthetische Methoden im Körper hergestellt werden. Seidenprotein kann bei Raumtemperatur verwendet werden. Unter wässriger Umgebung mit Normaldruck setzt es sich durch die entsprechende Konformationsumwandlung zu Seidenfasern mit spezifischen Eigenschaften zusammen und kann bei Bedarf biologisch (umwelt-) zu völlig ungefährlichen Bestandteilen abgebaut werden. Außerdem sind die aus Tierseide gewebten Seidenfasern so elegant und bequem.
2. Tierseide ist nicht nur ein Vollproteinmaterial mit Biokompatibilität und biologischer Abbaubarkeit, sondern auch seine hervorragenden umfassenden mechanischen Eigenschaften (dh die Festigkeit und Festigkeit, die durch das perfekte Gleichgewicht von Modul, Festigkeit und Bruchdehnung entsteht). Es befriedigt den Tagtraum der Öffentlichkeit über Superleistungsmaterialien. Ein typisches Beispiel ist, dass, als die magische Spinnenseide den Künstler inspirierte, die Sensation der Filmreihe "Spider-Man" entstand, in der die sich ständig verändernde Spinnenseidenwaffe des Protagonisten das war, wovon wir gewöhnlichen Menschen träumen. von. Nach der Tatsache zu urteilen, dass eine Spinnenseide mit einem Durchmesser von etwa 2 ~ 6 µm eine 1g-Spinne "aufhängen" kann, muss die Spinnenseide, die Spider-Man pflegt, nicht so dick sein. Um es anschaulich auszudrücken, muss es nur wie ein Bleistift sein. Dicke und dünne Spinnenseide kann der momentanen Kraft eines großen Passagierflugzeugs der Boeing 747 beim Start standhalten.
3. Im Gegensatz zu anderen natürlichen biologischen makromolekularen Materialien wie Cellulose, Chitosan, Sojaprotein, Kollagen und Keratin ist Tierseide das einzige Proteinfasermaterial, das kontinuierlich "ausgesponnen" wird. Es wurde allgemein angenommen, dass die Produktionsbedingungen von Hochleistungs-Naturfasern wie Tierseide (dh der Spinnprozess unter normaler Temperatur, normalem Druck und wässriger Lösungsumgebung) im Vergleich zu fast allen synthetischen Faserherstellungsverfahren derzeit sehr mild sind, was als natürliches Wunder bezeichnet werden kann. Daher konzentrieren sich die Forscher nicht nur auf die mechanischen Eigenschaften von Tierseide, sondern verfolgen auch ständig ein vertieftes Verständnis des Mechanismus und des Prozesses der tierischen Seidenproteinfibrose und versuchen, mit bionischen Methoden unter milden Bedingungen starke Fasern herzustellen. vor allem in der Hoffnung, wie natürliche Spinnenseide zu werden, ist es eine Proteinfaser mit Festigkeit und hoher Zähigkeit. Es wird molekulares Design und Optimierung von Spinnsystemen und -ausrüstungen für zukünftige synthetische Hochleistungsfasern durchführen. Tatsächlich ist der Mensch jedoch auf viele Schwierigkeiten gestoßen, Hochleistungs-Spinnenseidenfasern künstlich herzustellen. Sie müssen die Aminosäuresequenz und Zusammensetzung von Seidenprotein, die Struktur und den Flüssigkristallzustand von Seidenproteinspinnmitteln, verschiedene Spinnorgane und " Den Gesamtprozess des "Trockenspinnens" imitieren. ist nicht einfach, schließlich ist dies das Know-how, das Spinnen und Seidenraupen durch Hunderte von Millionen Jahren natürlicher Selektion geschaffen haben.
4. Aufgrund der Schwierigkeiten bei der biomimetischen Herstellung von Hochleistungsproteinfasern wird die Erforschung und Anwendung von Tierseide aktiv vom traditionellen Faserbereich auf den biomedizinischen Bereich ausgeweitet. Als Strukturproteinfaser ohne physiologische Aktivität wurde Seide vor mehr als einem Jahrhundert in chirurgischen Nähten verwendet. Heute kann tierisches Seidenprotein aufgrund seiner hervorragenden Biokompatibilität, Abbaubarkeit, strukturellen Einstellbarkeit, Umweltfreundlichkeit, reichlich vorhandenen Quellen und niedrigen Kosten zu einer idealen Quelle für biomedizinische Materialien werden. Im Vergleich zu anderen natürlichen Polymeren wie Chitin / Chitosan, Kollagen / Gelatine, Sojaprotein, Albumin, Hyaluronsäure und Natriumalginat ist tierisches Seidenprotein nicht nur in großer Menge und leicht zu gewinnen, sondern auch von hoher Reinheit. Seidenprotein kann die wechselseitige Umwandlung zwischen der wasserlöslichen Seiden Ⅰ-Struktur und der wasserunlöslichen Seiden ⅱ-Struktur realisieren, und seine Aushärtungs- und Formmethoden sind vielfältig. Diese Eigenschaften sind alle förderlich für die Anpassung der mechanischen Eigenschaften von regenerierten Seidenproteinmaterialien durch geeignete Verarbeitungsmethoden. Die mikroskopische Morphologie und Abbaurate bieten Komfort für die Anwendung im biomedizinischen Bereich. Daher liegt der aktuelle Forschungsschwerpunkt auf der Verwendung von tierischem Seidenprotein in Bereichen wie chirurgischen Nähten, medizinischen Verbänden, Biosensoren, künstlichen Knorpeln und Gelenken, künstlichen Muskelbindungen und Bändern, Materialien mit kontrollierter Freisetzung für Medikamente und Gene sowie Gerüstmaterialien für Tissue Engineering.

Die umfassende Grundlagenforschung und Anwendungsexploration von tierischer Seide und Seidenprotein signalisiert daher eine neue Materialrevolution und zeigt auch, dass der Prozess des menschlichen Lernens von der Natur und dem Leben niemals enden wird.