还原性离子液体中基于PEG聚合物构象诱导的角蛋白再生材料增强机理

The destruction of disulfide bonds and their orderly reconstruction are key issues in the dissolution and regeneration of keratin. The traditional dissolution methods usually lead to severe degradation of the peptide chains. Furthermore the keratin solution is usually unstable when regenerated. Peptide chains are easily to form random coil aggregates because of the strong hydrophobic interactions and rapid crosslinking of disulfide bonds. So, mechanical properties of regenerated keratin deteriorate. In order to promote the formation of regular structure and thus improve the mechanical properties of the regenerated keratin, reducing ionic liquid and PEG conformation inducer is chosen to control the dissolution and regeneration of keratin. First, a series of reducing ionic liquids will be designed and synthesized. A high concentration and high molecular weight keratin solution is prepared in this way which is helpful for the promotion of the peptide chain folding. Secondly, the PEG polymer as a conformation inducer will be grafted onto the keratin chains through thiol-ene click reaction in ionic liquid. PEG polymer can form plenty of hydrogen bonds with peptides，which will induce the formation of secondary confirmation of keratin. And thus promoting the formation of regular structures and enhancing the aggregation stability of the solution. Then the protective effect of the PEG on thiol groups will be tested when the keratin is precipitated from the reducing ionic liquid. The formation mechanism of disulfide bonds will be analyzed. Process optimization will be also adopted to promote the formation of intermolecular disulfide crosslinking, which keeps the protein conformation stable. Finally, a new method of reinforcing regenerated keratin materials will be constructed. And a strengthening and toughening scaffold made of regenerated keratin fibers will be prepared using this method to improve its application properties.

二硫键的破坏及其有序重建是角蛋白溶解再生的关键问题。传统溶解方法对肽链降解严重，而且肽链间的强疏水作用以及二硫键的随机交联易导致再生时无序聚集体的快速形成，使得再生角蛋白材料力学性能较差。为此，本课题拟通过还原性离子液体溶解联合点击化学引入PEG构象诱导物来解决此问题。首先，设计合成还原性离子液体，高效还原二硫键，制备高浓高分子角蛋白溶液，为肽链有序折叠奠定基础。其次，在还原性离子液体中，依托巯基-烯点击化学，采用PEG定量封闭肽链上的巯基，并利用PEG与肽链间的次级键作用对角蛋白二级构象进行诱导，促进有序结构形成和提升溶液聚集稳定性。再次，研究角蛋白从还原性离子液体析出时，PEG对巯基的保护效果以及固化过程中二硫键的重新成键机理，提升蛋白分子间的二硫键交联，形成稳定的空间拓扑结构。最终构建一种新型角蛋白材料增强方法，制备生物相容性较好的强韧角蛋白纳米纤维支架。

天然角蛋白在组织材料领域具有重要的应用前景，但是其含有大量的二硫键，传统的溶解方法对其降解严重，而且肽链间的强疏水作用以及二硫键的随机交联易导致再生时无序聚集体的快速形成，使得再生角蛋白材料力学性能较差。为此，本课题通过还原性离子液体溶解联合点击化学引入PEG构象诱导物解决此问题。.首先，本项目成功实现了羊毛等天然角蛋白纤维在还原性低共熔体系中的快速溶解。研究表明：还原性的DES体系能够有效打开羊毛角蛋白大分子之间的二硫键，从而实现对羊毛角蛋白纤维的高效溶解，120 ℃条件下，在巯基乙酸胆碱中的最高溶解质量分数可以达到 16%，分子质量介于10~40 KDa之间，而且再生角蛋白的主体结构得到保留；.其次，本项目成功实现了角蛋白在还原性低共熔体系中的溶解及其PEG化快速改性。红外、核磁以及凝胶电泳测试表明：无论是热引发还是紫外光引发，都可以快速实现角蛋白在DES中的巯基-烯点击反应。DLS测试显示，PEG改性后角蛋白在水溶液中的粒径变大，溶液更加稳定；圆二色谱测试结果显示，其构象在PEG诱导下发生了一定程度的变化，β-折叠构象比例显著增加。.再次，本项目通过巯基-烯点击反应还实现了PEG聚合物对巯基的封闭和保护。DPS测试表明，随着反应时PEG聚合物添加量的增加，巯基含量快速降低。荧光光谱、拉曼测试显示PEG可以通过疏水作用力、氢键等方式与角蛋白大分子间形成稳定的角蛋白/PEG高分子复合物，进一步降低巯基氧化形成二硫键的程度。.最后，本项目以PEG改性角蛋白制备了一系列再生角蛋白复合材料。测试表明，PEG改性角蛋白表现出了优良的性能。改性角蛋白膜结构致密，具有很好的透明度和柔韧性；角蛋白复合纤维表现出了强韧的特点，机械性能接近羊毛纤维；角蛋白基多孔材料不仅吸液性能优良，而且具有特殊的压缩弹性和生物相容性。