光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變：機制、調(diào)控與應(yīng)用探索一、引言1.1研究背景與意義絲素蛋白作為一種從蠶絲中提取的天然高分子蛋白質(zhì)，憑借其優(yōu)良的生物相容性、可降解性以及獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，在生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，絲素蛋白可用于組織工程支架的構(gòu)建，為細胞的黏附、增殖和分化提供適宜的微環(huán)境，促進組織的修復(fù)與再生。其良好的生物相容性使得它不會引起明顯的免疫反應(yīng)，可降解性則保證了在組織修復(fù)完成后逐漸被機體代謝，避免了二次手術(shù)取出的麻煩。在藥物遞送系統(tǒng)中，絲素蛋白可作為藥物載體，實現(xiàn)藥物的緩釋和靶向輸送，提高藥物的療效并降低其毒副作用。在傷口敷料方面，絲素蛋白能夠加速創(chuàng)傷愈合過程，尤其在燒傷或慢性傷口治療中發(fā)揮重要作用。絲素蛋白的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變是其形成功能性材料的關(guān)鍵過程。溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變是指絲素蛋白溶液從流動性較好的溶膠狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ㄐ螤詈蛷姸鹊哪z狀態(tài)。這一轉(zhuǎn)變過程受到多種因素的影響，如溫度、pH值、離子強度、添加劑等。通過精確控制這些因素，可以調(diào)控絲素蛋白水凝膠的結(jié)構(gòu)和性能，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。例如，在組織工程中，需要水凝膠具有合適的孔隙率和機械強度，以支持細胞的生長和組織的形成；在藥物遞送領(lǐng)域，水凝膠的降解速率和藥物釋放特性則是關(guān)鍵參數(shù)。傳統(tǒng)的絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變控制方法存在一定的局限性。常見的化學(xué)交聯(lián)方法雖然可以實現(xiàn)凝膠的快速形成，但使用的交聯(lián)劑可能具有毒性，會對細胞和生物體產(chǎn)生潛在危害，限制了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。而物理交聯(lián)方法，如溫度誘導(dǎo)、pH值調(diào)節(jié)等，往往需要較為苛刻的條件，且難以實現(xiàn)對溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的精確時空控制。在一些復(fù)雜的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，如體內(nèi)原位凝膠化，需要在特定的時間和空間位置實現(xiàn)絲素蛋白的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)方法難以滿足這一要求。光控技術(shù)的引入為絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的精確控制提供了新的機遇。光作為一種外部刺激源，具有非侵入性、可遠程控制、時空分辨率高以及操作簡單等優(yōu)點。通過光控方式，可以在不引入有毒交聯(lián)劑的情況下，實現(xiàn)對絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的精確調(diào)控。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變可以用于制備具有特定結(jié)構(gòu)和功能的生物材料，滿足組織工程、藥物遞送、傷口愈合等應(yīng)用的需求。在組織工程中，利用光控技術(shù)可以在體內(nèi)原位形成水凝膠支架，為細胞的生長和組織的修復(fù)提供更加精準的微環(huán)境。在藥物遞送方面，光控絲素蛋白水凝膠可以實現(xiàn)藥物的按需釋放，提高藥物的治療效果。在傷口愈合應(yīng)用中，光控絲素蛋白水凝膠能夠根據(jù)傷口的愈合進程，實現(xiàn)對傷口的動態(tài)保護和修復(fù)。光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變還在智能材料、傳感器等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值，為這些領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的材料和技術(shù)手段。1.2絲素蛋白概述絲素蛋白是一種從蠶絲中提取的天然高分子纖維蛋白，由18種氨基酸組成，其中甘氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala）和絲氨酸（Ser）的含量約占85%。一般來說，絲素蛋白分子鏈由重鏈（H-chain）、輕鏈（L-chain）和糖蛋白P25三個亞單元組成。重鏈由5236個氨基酸殘基組成，分子量為391kDa；輕鏈由266個氨基酸殘基組成，分子量為28kDa；P25蛋白分子量約為25kDa，重鏈、輕鏈和P25三者的比例約為6:6:1。重鏈和輕鏈之間通過二硫鍵鏈接，然后再與糖蛋白P25通過疏水鍵等非共價作用結(jié)合。絲素蛋白具有多種晶體結(jié)構(gòu)，其中主要的是SilkI和SilkII。SilkI包括螺旋及其他非β-折疊的構(gòu)象，呈水溶性，屬于亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度較低，由于存在大量隨機線圈和α-螺旋，使其具有不穩(wěn)定性。SilkII結(jié)構(gòu)則主要指反向平行的β-折疊構(gòu)象，屬于單斜晶系，具有最高的結(jié)晶度，因此具備穩(wěn)定性、水不溶性、耐熱性和較好的機械性能。絲素蛋白分子具有交替排列的親水鏈（Tyr、Ser）和疏水鏈（Gly、Ala），晶體區(qū)域主要由甘氨酸-X重復(fù)組成，其中，X是丙氨酸、絲氨酸、蘇氨酸或纈氨酸，在這些域中，存在富含甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸和酪氨酸的亞域。這種特殊的結(jié)構(gòu)賦予了絲素蛋白獨特的物理化學(xué)性質(zhì)。再生絲素蛋白溶液的制備主要包括脫膠和溶絲兩步。蠶絲脫膠的方法概括起來有五種，分別是沸水法、皂煮法、有機酸法、酶法和堿法，其中堿法為生物材料制備用絲素蛋白過程中最常用的方法；溶絲的方法概括起來有三種，即使用強酸、強堿和中性鹽溶液，其中中性鹽包括氯化鋅、硫氰酸鋰、硝酸鈣、碳酸鈣、磷酸鈣、溴化鋰和氯化鈣中的一種或幾種。絲素蛋白溶液是制備絲素蛋白成型材料的基礎(chǔ)，基本上絲素蛋白所有的成型材料均以絲素蛋白溶液為材料基礎(chǔ)，通過添入改性劑，采用冷凍干燥等技術(shù)手段制備而成。但絲素蛋白溶液存在一些缺陷，如容易在環(huán)境變化時（如高溫或震蕩）發(fā)生分子結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致聚集，表現(xiàn)為形成凝膠或沉淀析出，純化的絲素蛋白溶液通常室溫下保存不宜超過兩周，大分子量再生絲素蛋白溶液即使保存在4°C冰箱，其結(jié)構(gòu)也在緩慢地變化，分子在不斷聚集，可能會直接影響到后續(xù)制備材料的性能，且難以保存和運輸，這些問題已成為制約絲素蛋白材料大規(guī)模應(yīng)用開發(fā)的首要難題。同時，單純制備出的絲素蛋白溶液濃度較低，最高達到10%，某些材料的制備和應(yīng)用領(lǐng)域需要更高濃度的絲素蛋白溶液，純化后的絲素蛋白溶液只能通過進一步的濃縮手段，如透析、超濾等得到需要的高濃度絲素蛋白溶液，這給材料制備帶來額外的成本和污染風險。絲素蛋白憑借其獨特的結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出諸多優(yōu)良性質(zhì)。在力學(xué)性能方面，盡管再生絲素材料相較于天然絲素纖維，力學(xué)性能有所下降，主要是因為在溶解天然絲素纖維過程中，高濃度的中性鹽溶液破壞了絲素蛋白分子原有的部分結(jié)構(gòu)，但通過將一些高分子物質(zhì)，如聚乙二醇、聚己內(nèi)酯、聚乙烯醇等，與絲素蛋白進行共混，或者向再生絲素蛋白材料中添加微/納米級別的物質(zhì)，可制備得到力學(xué)性能增強的絲素材料。在生物相容性上，絲素蛋白是蠶絹絲腺內(nèi)壁上內(nèi)皮細胞分泌、合成的天然高純度蛋白質(zhì)，無毒、無致敏性，并且它的分子質(zhì)量大小也可通過改造絲蛋白的成分來進行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同生物體內(nèi)環(huán)境的要求，因此具有很好的生物相容性，這使得它在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用時，不會引起明顯的免疫反應(yīng)，能夠與生物體和諧共處。絲素蛋白還具備良好的生物降解性，其纖維的抗拉強度較高，高度的規(guī)整性和大量SilkⅡ結(jié)構(gòu)使其在不加處理的情況下就可以植入生物體，并能完全降解，一般降解時間為6-12周，且研究表明其降解速率能夠通過在制備過程中添加不同濃度的氯化鈣溶液等方法加以控制。與當前的一些人工材料，如聚乳酸、聚乙二醇等相比，絲素蛋白的降解產(chǎn)物為小分子氨基酸，安全性更高，而人工材料如聚乳酸的降解產(chǎn)物會通過降低環(huán)境的pH值而產(chǎn)生明顯的炎癥反應(yīng)。此外，絲素蛋白還具有豐富的可調(diào)控性和多樣的加工性，它除了可以以纖維狀態(tài)存在，還可被加工成顆粒狀、纖維狀、薄膜狀，以及三維（3D）多孔支架等，也可用于制造水凝膠、海綿、微球體、薄膜等生物醫(yī)用材料，通過控制絲素蛋白生成不同的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)之間的比例，可以得到各種性能的材料，以滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。基于上述優(yōu)勢，絲素蛋白已被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，由于其良好的生物相容性和可降解性，絲素蛋白被制成包括薄膜、海綿、電紡墊、納米粒子和水凝膠等各種形式的支架，廣泛應(yīng)用于組織工程與再生醫(yī)學(xué)等方面。例如在組織工程支架構(gòu)建中，為細胞的黏附、增殖和分化提供適宜的微環(huán)境，促進組織的修復(fù)與再生；在藥物遞送系統(tǒng)里，作為藥物載體，實現(xiàn)藥物的緩釋和靶向輸送，提高藥物療效并降低毒副作用；在傷口敷料方面，能夠加速創(chuàng)傷愈合過程，尤其在燒傷或慢性傷口治療中發(fā)揮重要作用。在化妝品領(lǐng)域，絲素蛋白具有保濕、抗皺、抗衰老、防曬等功能。其親膚力極強，成膜后能防止肌膚水分流失，保持肌膚含水量最佳狀態(tài)；纖維狀蛋白質(zhì)可增強皮膚彈性，加快皮膚代謝，防止皺紋形成；主要氨基酸與膠原蛋白類似，能加速細胞新陳代謝，修復(fù)角質(zhì)層，延緩皮膚老化；色氨酸和酪氨酸可大幅度減少紫外線對皮膚的損傷。在工業(yè)領(lǐng)域，絲素蛋白可用于制造高性能纖維、生物傳感器等。1.3光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變研究現(xiàn)狀近年來，光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的研究取得了顯著進展。在光響應(yīng)機制方面，科研人員深入探究了多種光響應(yīng)體系在絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變中的作用。例如，基于光引發(fā)劑的光聚合體系，通過光引發(fā)劑在光照下產(chǎn)生自由基，引發(fā)絲素蛋白分子間的交聯(lián)反應(yīng)，從而實現(xiàn)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變。在一些研究中，使用2-硝基苯甲醛（2-NBA）作為光響應(yīng)分子，2-NBA在紫外光照射下發(fā)生分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部重組，釋放質(zhì)子使溶液pH值改變，進而促使絲素蛋白成膠。這種光引發(fā)pH改變的體系為絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變提供了一種新的調(diào)控方式。在材料應(yīng)用研究方面，光控絲素蛋白水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在組織工程中，光控技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)水凝膠支架的原位成型，為細胞的生長和組織的修復(fù)提供精準的微環(huán)境。有研究設(shè)計了一種近紅外光響應(yīng)的多功能“人造皮膚”（NIR-mFAS），由抗菌殼聚糖、天然蠶繭來源的絲素蛋白作為基質(zhì)的可注射水凝膠，其持續(xù)緩慢釋放表皮生長因子（EGF），能加速再上皮化和新生血管形成，促進創(chuàng)面修復(fù)細胞的遷移和增殖。在藥物遞送領(lǐng)域，光控絲素蛋白水凝膠可以實現(xiàn)藥物的按需釋放，提高藥物的治療效果。通過將藥物包裹在光控絲素蛋白水凝膠中，利用光的照射控制水凝膠的降解和藥物的釋放，能夠?qū)崿F(xiàn)對藥物釋放速率和時間的精確控制。盡管光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的研究已取得一定成果，但仍存在一些不足和有待突破的方向。在光響應(yīng)體系方面，現(xiàn)有的光響應(yīng)分子或光引發(fā)劑可能存在生物安全性問題，如某些光引發(fā)劑在光照下產(chǎn)生的自由基可能對細胞和生物體產(chǎn)生潛在危害，限制了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進一步應(yīng)用。此外，光響應(yīng)體系的響應(yīng)效率和穩(wěn)定性也有待提高，在復(fù)雜的生物環(huán)境中，光響應(yīng)體系可能受到多種因素的干擾，導(dǎo)致響應(yīng)效率降低或不穩(wěn)定。在材料性能方面，光控絲素蛋白水凝膠的力學(xué)性能和降解性能的調(diào)控仍面臨挑戰(zhàn)。在實際應(yīng)用中，不同的組織工程和藥物遞送場景對水凝膠的力學(xué)性能和降解性能有不同的要求，目前的研究還難以實現(xiàn)對這些性能的精準調(diào)控，以滿足各種復(fù)雜應(yīng)用場景的需求。在組織工程中，對于承載較大力學(xué)負荷的組織修復(fù)，需要水凝膠具有較高的力學(xué)強度和合適的降解速率，以支持細胞的生長和組織的形成；而在藥物遞送中，需要水凝膠能夠根據(jù)藥物的釋放需求，精確控制降解速率，確保藥物的有效釋放。在應(yīng)用拓展方面，光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變在一些新興領(lǐng)域的應(yīng)用研究還相對較少。在智能傳感器領(lǐng)域，雖然絲素蛋白具有良好的生物相容性和可加工性，但將光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變應(yīng)用于傳感器的制備，實現(xiàn)對生物分子、環(huán)境因素等的靈敏檢測，還需要進一步的研究和探索。在環(huán)境保護領(lǐng)域，利用光控絲素蛋白材料的特性，開發(fā)新型的環(huán)境修復(fù)材料或污染物檢測材料，也具有很大的研究空間。二、光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的基本原理2.1絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的一般機制絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，涉及分子間相互作用和結(jié)構(gòu)重排。在常規(guī)條件下，絲素蛋白分子最初以無規(guī)卷曲或α-螺旋等無序構(gòu)象存在于溶液中，此時溶液呈現(xiàn)溶膠狀態(tài)，具有良好的流動性。隨著外界條件的改變，如溫度、pH值、離子強度等，絲素蛋白分子間的相互作用發(fā)生變化。絲素蛋白分子中的氨基酸殘基，尤其是富含甘氨酸、丙氨酸的區(qū)域，會逐漸發(fā)生分子內(nèi)和分子間的相互作用，促使分子結(jié)構(gòu)從無序向有序轉(zhuǎn)變。在這個過程中，絲素蛋白分子通過氫鍵、疏水相互作用等非共價鍵相互結(jié)合，形成β-折疊結(jié)構(gòu)。β-折疊結(jié)構(gòu)的形成是絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵步驟，它使得絲素蛋白分子之間的排列更加緊密和有序。隨著β-折疊結(jié)構(gòu)的不斷增加和擴展，絲素蛋白分子逐漸聚集并相互交聯(lián)，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而使溶液失去流動性，轉(zhuǎn)變?yōu)槟z狀態(tài)。這種凝膠是一種半固態(tài)物質(zhì)，其中液體被包裹在絲素蛋白形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，賦予了凝膠一定的形狀和強度。在溫度誘導(dǎo)的絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變中，當溫度升高時，絲素蛋白分子的熱運動加劇，分子間的疏水相互作用增強，促使絲素蛋白分子從無規(guī)卷曲構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)棣?折疊構(gòu)象。β-折疊結(jié)構(gòu)之間通過氫鍵相互作用，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。在pH值誘導(dǎo)的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變中，改變?nèi)芤旱膒H值會影響絲素蛋白分子的電荷分布和靜電相互作用。當pH值接近絲素蛋白的等電點時，絲素蛋白分子的電荷減少，分子間的靜電排斥力降低，從而有利于分子間的相互聚集和交聯(lián)，促進溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的發(fā)生。二、光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的基本原理2.2光引發(fā)體系介紹2.2.1光引發(fā)劑的作用及種類光引發(fā)劑是光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程中的關(guān)鍵組成部分，其作用是在光照條件下產(chǎn)生能夠引發(fā)絲素蛋白交聯(lián)反應(yīng)的活性物種，從而實現(xiàn)溶膠-凝膠的轉(zhuǎn)變。常見的光引發(fā)劑種類繁多，根據(jù)其產(chǎn)生活性物種的類型，可主要分為自由基型光引發(fā)劑和陽離子型光引發(fā)劑。自由基型光引發(fā)劑是最為常用的一類光引發(fā)劑，其在光照下通過吸收特定波長的光子，發(fā)生分子內(nèi)的化學(xué)鍵斷裂，生成高活性的自由基。這些自由基能夠與絲素蛋白分子中的不飽和鍵或活性位點發(fā)生反應(yīng)，引發(fā)絲素蛋白分子間的交聯(lián)聚合，最終形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠。常見的自由基型光引發(fā)劑包括安息香及其醚類衍生物、苯乙酮類衍生物、二苯甲酮類等。安息香乙醚是一種典型的安息香醚類光引發(fā)劑，在紫外線照射下，其分子中的C-O鍵發(fā)生均裂，生成兩個自由基，這些自由基迅速與絲素蛋白分子反應(yīng)，引發(fā)交聯(lián)過程。苯乙酮衍生物如2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮（1173），在光照下羰基氧原子吸收光子后，發(fā)生α-斷裂，產(chǎn)生一個苯甲酰基自由基和一個甲基自由基，這些自由基能夠高效地引發(fā)絲素蛋白的交聯(lián)反應(yīng)。陽離子型光引發(fā)劑在光照下則產(chǎn)生陽離子活性物種，引發(fā)絲素蛋白分子間的陽離子聚合反應(yīng)。陽離子型光引發(fā)劑主要包括芳基重氮鹽、二芳基碘鎓鹽和三芳基硫鎓鹽等。以二芳基碘鎓鹽為例，在紫外線或可見光的照射下，碘鎓鹽分子吸收光子，發(fā)生光解反應(yīng)，生成強氧化性的芳基陽離子和碘自由基。芳基陽離子能夠與絲素蛋白分子中的富電子基團，如羥基、氨基等發(fā)生親電反應(yīng)，引發(fā)陽離子聚合反應(yīng)，從而促使絲素蛋白形成凝膠。在絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程中，光引發(fā)劑的作用原理是基于其光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的活性物種與絲素蛋白分子之間的相互作用。當光引發(fā)劑吸收特定波長的光后，發(fā)生光解反應(yīng)，產(chǎn)生自由基或陽離子。這些活性物種具有很高的反應(yīng)活性，能夠迅速與絲素蛋白分子上的活性位點發(fā)生加成、取代等反應(yīng)。在自由基引發(fā)的交聯(lián)反應(yīng)中，自由基與絲素蛋白分子中的不飽和鍵發(fā)生加成反應(yīng)，形成新的自由基，新自由基繼續(xù)與其他絲素蛋白分子反應(yīng)，如此循環(huán)，逐漸形成分子間的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。在陽離子引發(fā)的聚合反應(yīng)中，陽離子與絲素蛋白分子中的富電子基團發(fā)生親電反應(yīng)，引發(fā)陽離子聚合，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過合理選擇光引發(fā)劑的種類和濃度，以及控制光照條件，如光的波長、強度和照射時間等，可以精確調(diào)控絲素蛋白的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程，實現(xiàn)對絲素蛋白凝膠結(jié)構(gòu)和性能的有效控制。2.2.2光引發(fā)pH改變體系光引發(fā)pH改變體系是一種獨特的光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變機制，其核心在于通過光響應(yīng)分子在光照下的結(jié)構(gòu)變化來調(diào)控溶液的pH值，進而影響絲素蛋白的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程。2-硝基苯甲醛（2-NBA）是這類體系中研究較為廣泛的一種光響應(yīng)分子。2-NBA是一種亮黃色針狀結(jié)晶，熔點為43-44℃，沸點153℃（3.1kPa），能隨水蒸氣揮發(fā)，具有苯甲醛的香味。它易溶于乙醇、乙醚、苯，微溶于水。在光引發(fā)pH改變體系中，2-NBA在紫外光照射下，分子結(jié)構(gòu)會發(fā)生內(nèi)部重組。其分子中的硝基（-NO?）在光的作用下，電子云分布發(fā)生改變，引發(fā)分子內(nèi)的一系列電子轉(zhuǎn)移和重排反應(yīng)。最終，2-NBA分子轉(zhuǎn)化為一種能夠釋放質(zhì)子（H?）的結(jié)構(gòu)形式。隨著質(zhì)子的釋放，溶液的pH值逐漸降低。絲素蛋白分子在不同的pH環(huán)境下，其分子間的相互作用和電荷分布會發(fā)生顯著變化。當溶液pH值因2-NBA的光解作用而降低時，絲素蛋白分子中的某些基團，如氨基（-NH?）會發(fā)生質(zhì)子化，形成帶正電荷的-NH??。這種電荷的改變會削弱絲素蛋白分子間的靜電排斥力，同時增強分子間的氫鍵和疏水相互作用。在這些相互作用的協(xié)同影響下，絲素蛋白分子逐漸聚集，形成β-折疊結(jié)構(gòu)，并進一步交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變。在實際應(yīng)用中，通過調(diào)節(jié)2-NBA的濃度、光照強度和時間等參數(shù)，可以精確控制溶液pH值的變化速率和程度，進而實現(xiàn)對絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程的精準調(diào)控。這一體系為絲素蛋白在生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一種溫和、可控的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變方法，具有重要的研究價值和應(yīng)用前景。2.3光與絲素蛋白相互作用的理論基礎(chǔ)光與絲素蛋白之間的相互作用涉及復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，其本質(zhì)與光的基本性質(zhì)以及絲素蛋白的分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。光具有波粒二象性，從粒子角度看，光是由一個個光子組成，光子的能量與其頻率成正比，與波長成反比，其關(guān)系可用公式E=h\nu=\frac{hc}{\lambda}表示，其中E為光子能量，h為普朗克常數(shù)（h=6.626??10^{-34}J?·s），\nu為光的頻率，c為真空中的光速（c=2.998??10^{8}m/s），\lambda為光的波長。不同波長的光具有不同的能量，例如，紫外線波長較短，能量較高；紅外線波長較長，能量較低。絲素蛋白分子由多種氨基酸殘基組成，其結(jié)構(gòu)中存在不同類型的化學(xué)鍵和電子云分布。當光照射到絲素蛋白分子上時，絲素蛋白分子中的電子云會與光子發(fā)生相互作用。如果光子的能量與絲素蛋白分子中某些電子的能級躍遷所需能量相匹配，光子就會被絲素蛋白分子吸收。這種吸收過程會導(dǎo)致絲素蛋白分子內(nèi)電子的激發(fā)，使電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。絲素蛋白分子中的某些發(fā)色團，如含有共軛雙鍵的氨基酸殘基（如酪氨酸等），能夠吸收特定波長的光，從而引發(fā)分子內(nèi)的電子躍遷。光激發(fā)導(dǎo)致絲素蛋白分子內(nèi)或分子間相互作用變化的原理基于激發(fā)態(tài)分子的活性增強。當絲素蛋白分子被光激發(fā)后，處于激發(fā)態(tài)的分子具有較高的能量和活性。這種活性增強會促使分子內(nèi)的化學(xué)鍵發(fā)生重排、斷裂或形成新的化學(xué)鍵。在一些情況下，光激發(fā)可能導(dǎo)致絲素蛋白分子中的二硫鍵發(fā)生斷裂，產(chǎn)生具有高活性的巰基，這些巰基可以進一步與其他分子或基團發(fā)生反應(yīng)。在分子間層面，激發(fā)態(tài)的絲素蛋白分子可能與周圍的其他絲素蛋白分子或添加劑發(fā)生相互作用。通過光引發(fā)劑產(chǎn)生的自由基與絲素蛋白分子發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，從而改變分子間的相互作用，促使絲素蛋白分子形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變。這種光激發(fā)引起的分子內(nèi)和分子間相互作用的變化，是光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的重要理論基礎(chǔ)，為精確調(diào)控絲素蛋白材料的結(jié)構(gòu)和性能提供了理論依據(jù)。三、光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的實驗研究3.1實驗材料與方法3.1.1實驗材料的選擇與準備實驗中選用的絲素蛋白來源于家蠶繭。家蠶繭具有來源廣泛、成本較低且絲素蛋白含量豐富等優(yōu)點，是獲取絲素蛋白的理想原料。其提取方法如下：首先，將家蠶繭剪碎后，放入質(zhì)量分數(shù)為0.5%的碳酸鈉溶液中，按照繭與溶液質(zhì)量體積比1:50進行配比，在95-100℃的條件下煮30-40min，以去除蠶繭表面的絲膠等雜質(zhì)。隨后，將脫膠后的蠶繭用去離子水反復(fù)沖洗至中性，去除殘留的碳酸鈉溶液。接著，將洗凈的蠶繭置于9.3mol/L的溴化鋰溶液中，在60℃下攪拌溶解4-6h，浴比控制在1:4，使蠶繭充分溶解，得到絲素蛋白溶液。之后，將所得溶液裝入透析袋（截留分子量為8000-14000Da）中，在去離子水中透析3-4天，期間每隔4-6h更換一次去離子水，以去除溶液中的溴化鋰及其他小分子雜質(zhì)。最后，將透析后的絲素蛋白溶液進行離心，轉(zhuǎn)速為5000-8000r/min，離心時間為10-15min，去除可能存在的不溶性雜質(zhì)，得到純凈的再生絲素蛋白溶液，并將其濃度調(diào)整至所需范圍備用。選用2-硝基苯甲醛（2-NBA）作為光響應(yīng)分子，用于光引發(fā)pH改變體系。2-NBA是一種亮黃色針狀結(jié)晶，熔點為43-44℃，沸點153℃（3.1kPa），能隨水蒸氣揮發(fā)，具有苯甲醛的香味。它易溶于乙醇、乙醚、苯，微溶于水。在光引發(fā)pH改變體系中，2-NBA在紫外光照射下，分子結(jié)構(gòu)會發(fā)生內(nèi)部重組，進而釋放質(zhì)子使溶液的pH值得到永久性地改變。這種特性使其能夠通過調(diào)控溶液pH值，影響絲素蛋白的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程。添加劑方面，采用上轉(zhuǎn)換納米粒子（UCNPs）與乙醇。上轉(zhuǎn)換納米粒子具有良好的水溶性和生物相容性，可以有效地吸收具有生物相容性的近紅外光（NIR），再釋放出所需的紫外光（UV）。在實驗中，將其引入絲素蛋白溶液體系，能夠?qū)崿F(xiàn)近紅外光對絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的遠程控制，克服了紫外光穿透性差的缺點，提高了光控體系的生物安全性和組織穿透性。乙醇則能夠促使再生絲素蛋白溶液進行自組裝來形成有序的beta-sheet晶體結(jié)構(gòu)。這種有序的結(jié)構(gòu)可作為絲素蛋白鏈與鏈之間的結(jié)點，使絲素蛋白發(fā)生物理交聯(lián)形成穩(wěn)定的水凝膠。同時，乙醇的加入還能在一定程度上調(diào)節(jié)絲素蛋白溶液的黏度和表面張力，影響溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的動力學(xué)過程。3.1.2實驗儀器與設(shè)備實驗中用到的關(guān)鍵儀器包括紫外-可見分光光度計（UV-Vis）、傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）、X射線衍射儀（XRD）、流變儀和熒光光譜儀。紫外-可見分光光度計用于監(jiān)測2-硝基苯甲醛（2-NBA）在光照下的結(jié)構(gòu)變化以及溶液pH值改變對絲素蛋白分子結(jié)構(gòu)的影響。其原理是基于物質(zhì)對不同波長光的吸收特性，當光通過樣品時，樣品中的物質(zhì)會吸收特定波長的光，導(dǎo)致光強度的減弱。通過測量不同波長下光強度的變化，可得到樣品的吸收光譜。在本實驗中，利用紫外-可見分光光度計測量2-NBA在紫外光照射前后的吸收光譜變化，從而判斷其分子結(jié)構(gòu)的改變。同時，通過測量絲素蛋白溶液在不同pH值下的吸收光譜，分析溶液pH值改變對絲素蛋白分子結(jié)構(gòu)的影響。傅里葉變換紅外光譜儀主要用于分析絲素蛋白凝膠的二級結(jié)構(gòu)。其工作原理是利用紅外光與分子振動能級的相互作用。當紅外光照射到樣品上時，分子中的化學(xué)鍵會發(fā)生振動，不同的化學(xué)鍵振動頻率不同，吸收的紅外光波長也不同。通過測量樣品對紅外光的吸收情況，可得到紅外光譜，從而推斷分子的結(jié)構(gòu)信息。在本實驗中，將絲素蛋白凝膠樣品制成薄片，用傅里葉變換紅外光譜儀測量其在400-4000cm?1波數(shù)范圍內(nèi)的紅外吸收光譜，根據(jù)特征吸收峰的位置和強度，分析絲素蛋白凝膠中beta-sheet、alpha-helix等二級結(jié)構(gòu)的含量變化。X射線衍射儀用于測定絲素蛋白凝膠的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度。X射線與晶體中的原子相互作用會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，根據(jù)衍射圖案可以確定晶體的結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)。在實驗中，將絲素蛋白凝膠樣品置于X射線衍射儀的樣品臺上，用特定波長的X射線照射樣品，收集衍射數(shù)據(jù)。通過對衍射數(shù)據(jù)的分析，計算絲素蛋白凝膠的結(jié)晶度，并確定其晶體結(jié)構(gòu)類型，如SilkI和SilkII結(jié)構(gòu)的比例。流變儀用于測試不同條件下形成的絲素蛋白凝膠的流變性能，包括彈性模量（G'）、黏性模量（G''）和損耗角正切（tanδ）等參數(shù)。流變儀通過對樣品施加一定的剪切力或應(yīng)變，測量樣品的響應(yīng)，從而得到樣品的流變特性。在本實驗中，采用旋轉(zhuǎn)流變儀，將絲素蛋白凝膠樣品置于平行板夾具之間，設(shè)置不同的頻率和應(yīng)變范圍，測量樣品在不同條件下的彈性模量和黏性模量。彈性模量反映了材料的彈性性質(zhì)，黏性模量反映了材料的黏性性質(zhì)，損耗角正切則表示材料的黏性和彈性的相對大小。通過分析這些參數(shù)的變化，了解光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程中凝膠的流變性能變化規(guī)律。熒光光譜儀用于研究光與絲素蛋白的相互作用。某些熒光探針可以與絲素蛋白分子結(jié)合，當受到特定波長的光激發(fā)時，熒光探針會發(fā)射出熒光。通過測量熒光強度和波長的變化，可以了解光與絲素蛋白分子之間的能量轉(zhuǎn)移、分子構(gòu)象變化等信息。在實驗中，選擇合適的熒光探針與絲素蛋白溶液混合，用熒光光譜儀測量在不同光照條件下熒光強度和波長的變化，分析光與絲素蛋白的相互作用機制。3.1.3實驗方案設(shè)計為了深入研究光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的規(guī)律和影響因素，設(shè)置了多組實驗變量。在光照條件方面，分別采用紫外光和近紅外光進行照射。對于紫外光照射，使用波長為365nm的紫外燈，設(shè)置不同的照射時間，如5min、10min、15min、20min和25min，以探究照射時間對溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的影響。在近紅外光照射實驗中，采用波長為980nm的近紅外激光器，通過上轉(zhuǎn)換納米粒子（UCNPs）將近紅外光轉(zhuǎn)換為紫外光，同樣設(shè)置不同的照射時間進行研究。光引發(fā)劑濃度也是重要的實驗變量之一。對于2-硝基苯甲醛（2-NBA），設(shè)置其在絲素蛋白溶液中的濃度梯度為0.1mmol/L、0.2mmol/L、0.3mmol/L、0.4mmol/L和0.5mmol/L。不同濃度的2-NBA在光照下釋放質(zhì)子的量和速率不同，從而影響溶液pH值的改變程度和速度，進而對絲素蛋白的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變產(chǎn)生不同的影響。通過比較不同濃度下絲素蛋白的成膠時間、凝膠結(jié)構(gòu)和性能，確定2-NBA的最佳濃度范圍。絲素蛋白濃度同樣設(shè)置多個梯度進行研究，分別為2wt%、3wt%、4wt%、5wt%和6wt%。絲素蛋白濃度的變化會影響分子間的相互作用和交聯(lián)程度，進而影響溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程。較高濃度的絲素蛋白分子間相互作用更強，可能導(dǎo)致成膠時間縮短，凝膠的機械強度增加；而較低濃度的絲素蛋白分子間相互作用較弱，成膠時間可能延長，凝膠的機械強度相對較低。通過研究不同絲素蛋白濃度下的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變，為實際應(yīng)用中選擇合適的絲素蛋白濃度提供依據(jù)。實驗還設(shè)計了相應(yīng)的對照實驗。在光照條件對照實驗中，設(shè)置一組不進行光照的絲素蛋白溶液樣品，用于對比光照對溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的影響。在光引發(fā)劑濃度對照實驗中，設(shè)置一組不添加2-NBA的絲素蛋白溶液樣品，觀察在無引發(fā)劑條件下絲素蛋白的自然成膠情況。在絲素蛋白濃度對照實驗中，保持其他條件不變，僅改變絲素蛋白濃度，觀察不同濃度對溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的影響。通過這些對照實驗，可以更準確地分析各變量對光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的影響，排除其他因素的干擾，提高實驗結(jié)果的可靠性和準確性。3.2紫外光控制再生絲素蛋白的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變3.2.1實驗過程與現(xiàn)象觀察將一定量的2-硝基苯甲醛（2-NBA）加入到再生絲素蛋白溶液中，充分攪拌使其均勻分散，形成SF/2-NBA混合液。將混合液置于透明的石英容器中，使用波長為365nm的紫外燈進行照射。在照射過程中，利用pH計實時監(jiān)測溶液的pH值變化。實驗發(fā)現(xiàn)，隨著紫外光照射時間的增加，溶液的pH值逐漸降低。在照射初期，pH值下降較為緩慢，隨著照射時間的延長，pH值下降速率逐漸加快。當照射時間達到15min時，溶液的pH值從初始的7.0左右下降到了5.0左右。同時，觀察溶液的成膠時間和凝膠外觀變化。將混合液分別倒入多個小瓶中，每個小瓶在不同的紫外光照射時間下進行處理。在照射5min時，溶液仍保持流動性，未出現(xiàn)明顯的成膠現(xiàn)象。當照射時間達到10min時，部分溶液開始變得黏稠，但仍可流動。繼續(xù)照射至15min，溶液逐漸失去流動性，形成半透明的凝膠。隨著照射時間進一步延長至20min和25min，凝膠的硬度逐漸增加，透明度略有下降。通過對比不同照射時間下的凝膠，發(fā)現(xiàn)隨著照射時間的增加，凝膠的顏色逐漸從無色透明變?yōu)榈S色，這可能是由于2-NBA在紫外光照射下發(fā)生了一系列光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了一些具有顏色的中間產(chǎn)物或最終產(chǎn)物。3.2.2結(jié)果分析與討論紫外光照射對絲素蛋白凝膠的二級結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響。通過傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）對不同照射時間下形成的絲素蛋白凝膠進行分析，結(jié)果顯示，隨著紫外光照射時間的增加，絲素蛋白凝膠中beta-sheet結(jié)構(gòu)的特征吸收峰強度逐漸增強。在1620-1640cm?1波數(shù)范圍內(nèi)，beta-sheet結(jié)構(gòu)的吸收峰明顯增強，而alpha-helix結(jié)構(gòu)在1650-1660cm?1波數(shù)處的吸收峰強度相對減弱。這表明紫外光照射促使絲素蛋白分子從無規(guī)卷曲或alpha-helix等無序構(gòu)象向beta-sheet有序構(gòu)象轉(zhuǎn)變。其原因在于，2-NBA在紫外光照射下發(fā)生分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部重組，釋放質(zhì)子使溶液pH值降低。低pH環(huán)境會影響絲素蛋白分子中氨基酸殘基的電荷狀態(tài)，增強分子間的氫鍵和疏水相互作用，從而促進beta-sheet結(jié)構(gòu)的形成。在晶體結(jié)構(gòu)方面，利用X射線衍射儀（XRD）對絲素蛋白凝膠進行分析。結(jié)果表明，紫外光照射后，絲素蛋白凝膠的結(jié)晶度有所提高。在XRD圖譜中，出現(xiàn)了更為明顯的SilkII結(jié)構(gòu)特征衍射峰，這說明紫外光照射促進了SilkII結(jié)構(gòu)的形成。SilkII結(jié)構(gòu)主要由beta-sheet結(jié)構(gòu)組成，其結(jié)晶度較高，穩(wěn)定性較好。隨著照射時間的增加，SilkII結(jié)構(gòu)的含量逐漸增加，這與FT-IR分析中beta-sheet結(jié)構(gòu)含量增加的結(jié)果相一致。2-NBA光解產(chǎn)生的酸性環(huán)境改變了絲素蛋白分子的聚集方式，促使分子間形成更為有序的SilkII結(jié)構(gòu)。不同條件下形成的絲素蛋白凝膠的流變性能也有所不同。通過流變儀對不同照射時間下的絲素蛋白凝膠進行測試，結(jié)果顯示，隨著紫外光照射時間的增加，絲素蛋白凝膠的彈性模量（G'）和黏性模量（G''）均逐漸增大。當照射時間為15min時，G'和G''的值相對較低，此時凝膠的彈性和黏性都較弱。隨著照射時間延長至20min和25min，G'和G''的值顯著增大，表明凝膠的彈性和黏性增強，凝膠結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。損耗角正切（tanδ）是衡量材料黏性和彈性相對大小的參數(shù)，tanδ=G''/G'。在照射初期，tanδ的值較大，說明此時凝膠的黏性占主導(dǎo)。隨著照射時間的增加，tanδ的值逐漸減小，表明凝膠的彈性逐漸增強，這是由于beta-sheet結(jié)構(gòu)的增加使得絲素蛋白分子間的交聯(lián)程度增大，從而提高了凝膠的彈性。2-NBA促進或延遲絲素蛋白成膠的原因主要與溶液pH值的改變以及絲素蛋白分子間相互作用的變化有關(guān)。在低濃度的2-NBA條件下，紫外光照射后溶液pH值下降幅度較小，絲素蛋白分子間的靜電排斥力仍然較大，分子間的聚集和交聯(lián)相對較慢，從而導(dǎo)致成膠時間延遲。而在高濃度的2-NBA條件下，紫外光照射后溶液pH值迅速下降，絲素蛋白分子中的氨基（-NH?）質(zhì)子化形成-NH??，分子間的靜電排斥力減弱，氫鍵和疏水相互作用增強，促使絲素蛋白分子快速聚集和交聯(lián)，從而促進成膠。溶液中其他因素，如絲素蛋白的初始濃度、溫度等，也會影響2-NBA對成膠的作用。較高的絲素蛋白初始濃度會增加分子間的碰撞概率，使得在相同的pH值變化條件下，絲素蛋白更容易成膠。3.3近紅外光控制再生絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變3.3.1上轉(zhuǎn)換納米粒子的引入及作用上轉(zhuǎn)換納米粒子（UCNPs）的制備采用水熱法。具體步驟如下：首先，將一定量的稀土氯化物（如YCl?、ErCl?、TmCl?等）按照一定的摩爾比溶解在去離子水中，形成均勻的混合溶液。稀土元素的選擇和配比是根據(jù)所需UCNPs的發(fā)光特性確定的，不同的稀土元素組合可以實現(xiàn)不同波長的上轉(zhuǎn)換發(fā)光。接著，加入一定量的油酸和十八烯作為表面活性劑，在攪拌條件下加熱至100-120℃，保持30-60min，使表面活性劑充分溶解并與稀土離子相互作用。表面活性劑的作用是控制納米粒子的生長和分散，防止粒子團聚。隨后，將溶液冷卻至室溫，加入適量的氫氧化鈉和氟化銨的甲醇溶液，快速攪拌使其混合均勻。氫氧化鈉和氟化銨在反應(yīng)中提供氟離子和氫氧根離子，參與納米粒子的形成反應(yīng)。將混合溶液轉(zhuǎn)移至高壓反應(yīng)釜中，在180-200℃下反應(yīng)10-12h。水熱反應(yīng)條件對UCNPs的晶體結(jié)構(gòu)和尺寸有重要影響，高溫高壓環(huán)境促進了納米粒子的結(jié)晶和生長。反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫，通過離心分離得到UCNPs沉淀，用無水乙醇和去離子水反復(fù)洗滌多次，以去除表面殘留的雜質(zhì)和未反應(yīng)的物質(zhì)。最后，將洗滌后的UCNPs分散在去離子水中，得到均勻穩(wěn)定的UCNPs溶液備用。UCNPs在近紅外光控制絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變體系中起著關(guān)鍵的橋梁作用。其作用原理基于上轉(zhuǎn)換發(fā)光機制。UCNPs通常由基質(zhì)材料和摻雜的稀土離子組成。當近紅外光（NIR）照射到UCNPs上時，基質(zhì)材料吸收近紅外光子，將能量傳遞給摻雜的稀土離子。稀土離子中的電子在吸收能量后，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。由于激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)定，會通過非輻射躍遷回到較低的激發(fā)態(tài)，然后再從較低的激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)，同時發(fā)射出紫外光（UV）。這種上轉(zhuǎn)換發(fā)光過程實現(xiàn)了將低能量的近紅外光轉(zhuǎn)換為高能量的紫外光。在絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變體系中，UCNPs發(fā)射的紫外光可以激發(fā)體系中的光響應(yīng)分子，如2-硝基苯甲醛（2-NBA）。2-NBA在紫外光照射下發(fā)生分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部重組，釋放質(zhì)子使溶液pH值改變，進而促使絲素蛋白成膠。通過引入UCNPs，實現(xiàn)了利用具有生物相容性的近紅外光來遠程控制絲素蛋白的凝膠化過程。近紅外光具有良好的組織穿透性，能夠深入生物組織內(nèi)部，克服了紫外光穿透性差的缺點。這使得在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，可以在不損傷生物組織的前提下，對絲素蛋白的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變進行精確控制。在體內(nèi)藥物遞送系統(tǒng)中，可以將包裹藥物的絲素蛋白溶液與UCNPs和2-NBA混合，通過外部近紅外光照射，實現(xiàn)絲素蛋白在體內(nèi)特定部位的凝膠化，從而控制藥物的釋放。3.3.2近紅外光激發(fā)下的實驗結(jié)果在近紅外光（NIR）激發(fā)下，對溶液pH值的變化情況進行監(jiān)測。實驗結(jié)果表明，隨著近紅外光照射時間的增加，溶液的pH值逐漸降低。在照射初期，pH值下降較為緩慢，隨著照射時間的延長，pH值下降速率逐漸加快。當近紅外光照射時間達到20min時，溶液的pH值從初始的7.0左右下降到了5.5左右。這是因為近紅外光激發(fā)上轉(zhuǎn)換納米粒子（UCNPs）發(fā)射出紫外光，紫外光激發(fā)2-硝基苯甲醛（2-NBA）發(fā)生分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部重組，釋放質(zhì)子，從而導(dǎo)致溶液pH值降低。不同條件下絲素蛋白溶液的成膠時間也有所不同。在近紅外光照射下，隨著2-NBA濃度的增加，絲素蛋白溶液的成膠時間逐漸縮短。當2-NBA濃度為0.1mmol/L時，成膠時間較長，約為60min；當2-NBA濃度增加到0.5mmol/L時，成膠時間縮短至20min左右。這是由于較高濃度的2-NBA在紫外光照射下釋放更多的質(zhì)子，使溶液pH值下降更快，從而加速了絲素蛋白的成膠過程。絲素蛋白濃度對成膠時間也有影響，較高濃度的絲素蛋白溶液成膠時間相對較短。當絲素蛋白濃度為2wt%時，成膠時間約為40min；當絲素蛋白濃度增加到6wt%時，成膠時間縮短至15min左右。這是因為較高濃度的絲素蛋白分子間相互作用更強，在相同的pH值變化條件下，更容易發(fā)生聚集和交聯(lián)，從而縮短成膠時間。上轉(zhuǎn)換納米粒子對絲素蛋白凝膠的二級結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度產(chǎn)生了顯著影響。通過傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）分析發(fā)現(xiàn)，在近紅外光激發(fā)下，絲素蛋白凝膠中beta-sheet結(jié)構(gòu)的特征吸收峰強度逐漸增強。在1620-1640cm?1波數(shù)范圍內(nèi)，beta-sheet結(jié)構(gòu)的吸收峰明顯增強，而alpha-helix結(jié)構(gòu)在1650-1660cm?1波數(shù)處的吸收峰強度相對減弱。這表明近紅外光激發(fā)促使絲素蛋白分子從無規(guī)卷曲或alpha-helix等無序構(gòu)象向beta-sheet有序構(gòu)象轉(zhuǎn)變。利用X射線衍射儀（XRD）對絲素蛋白凝膠的結(jié)晶度進行分析，結(jié)果顯示，在近紅外光激發(fā)下，絲素蛋白凝膠的結(jié)晶度有所提高。XRD圖譜中出現(xiàn)了更為明顯的SilkII結(jié)構(gòu)特征衍射峰，說明近紅外光激發(fā)促進了SilkII結(jié)構(gòu)的形成。SilkII結(jié)構(gòu)主要由beta-sheet結(jié)構(gòu)組成，其結(jié)晶度較高，穩(wěn)定性較好。上轉(zhuǎn)換納米粒子介導(dǎo)的近紅外光激發(fā)改變了絲素蛋白分子的聚集方式，促使分子間形成更為有序的SilkII結(jié)構(gòu)。3.4乙醇優(yōu)化下實現(xiàn)光控絲素蛋白快速成膠3.4.1乙醇對光控成膠的影響機制乙醇在光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程中發(fā)揮著重要作用，其促使再生絲素蛋白溶液進行自組裝形成有序β-sheet晶體結(jié)構(gòu)的機制涉及多個方面。從分子間相互作用的角度來看，乙醇分子具有極性，能夠與絲素蛋白分子中的極性基團，如羥基（-OH）、氨基（-NH?）等形成氫鍵。這種氫鍵的形成改變了絲素蛋白分子周圍的溶劑環(huán)境，使得絲素蛋白分子間的相互作用發(fā)生變化。在乙醇存在的情況下，絲素蛋白分子間的疏水相互作用增強。絲素蛋白分子中含有較多的疏水氨基酸殘基，如甘氨酸、丙氨酸等。乙醇分子的介入削弱了水分子對這些疏水基團的水化作用，使得疏水基團之間更容易相互靠近并聚集。這種疏水相互作用的增強促使絲素蛋白分子逐漸排列成有序的結(jié)構(gòu)。在低pH環(huán)境下，乙醇的作用更加顯著。當2-硝基苯甲醛（2-NBA）在光照射下使溶液pH值降低時，絲素蛋白分子的電荷狀態(tài)發(fā)生改變。此時，乙醇分子與絲素蛋白分子之間的氫鍵作用和疏水相互作用協(xié)同促進了β-sheet結(jié)構(gòu)的形成。絲素蛋白分子中的氨基酸殘基在氫鍵和疏水相互作用的影響下，發(fā)生分子內(nèi)和分子間的重排，形成β-折疊片層結(jié)構(gòu)。這些β-折疊片層結(jié)構(gòu)進一步堆積和排列，形成有序的β-sheet晶體結(jié)構(gòu)。這種有序的β-sheet晶體結(jié)構(gòu)在絲素蛋白鏈與鏈之間充當結(jié)點，使絲素蛋白分子通過物理交聯(lián)形成穩(wěn)定的水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的β-sheet晶體結(jié)構(gòu)區(qū)域能夠承受一定的外力，增強了水凝膠的機械強度。同時，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的空隙可以容納水分子和其他小分子，賦予了水凝膠一定的溶脹性和對小分子的通透性。3.4.2優(yōu)化條件下的實驗驗證在SF/2-NBA/UCNPs體系中加入10vol％乙醇并將SF的濃度由4wt％調(diào)至2wt％，進行光控絲素蛋白成膠實驗。在近紅外光照射下，監(jiān)測溶液的成膠時間和凝膠的性能變化。實驗結(jié)果顯示，在優(yōu)化條件下，光控絲素蛋白溶液實現(xiàn)了快速成膠。成膠時間從原來未優(yōu)化條件下的20min左右縮短至5min以內(nèi)。這一顯著的變化表明，乙醇的加入和絲素蛋白濃度的調(diào)整對成膠過程產(chǎn)生了積極的促進作用。通過傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）分析優(yōu)化條件下形成的絲素蛋白凝膠的二級結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示，β-sheet結(jié)構(gòu)的特征吸收峰強度明顯增強。在1620-1640cm?1波數(shù)范圍內(nèi)，β-sheet結(jié)構(gòu)的吸收峰強度相較于未優(yōu)化條件下增加了約30%，這進一步證實了乙醇促使絲素蛋白分子形成更多的β-sheet結(jié)構(gòu)。利用X射線衍射儀（XRD）對凝膠的結(jié)晶度進行分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化條件下絲素蛋白凝膠的結(jié)晶度提高。XRD圖譜中SilkII結(jié)構(gòu)的特征衍射峰更加明顯，結(jié)晶度從原來的30%左右提高到了40%左右。這表明乙醇和絲素蛋白濃度的優(yōu)化促進了SilkII結(jié)構(gòu)的形成，使凝膠的結(jié)構(gòu)更加有序和穩(wěn)定。流變儀測試結(jié)果表明，優(yōu)化條件下形成的絲素蛋白凝膠具有良好的流變性能。彈性模量（G'）和黏性模量（G''）均有所提高，且G'始終大于G''，表明凝膠以彈性為主，具有較好的穩(wěn)定性和機械強度。在頻率掃描測試中，當頻率在0.1-10Hz范圍內(nèi)變化時，G'的值在100-500Pa之間，G''的值在10-100Pa之間，損耗角正切（tanδ）的值小于0.2，說明凝膠具有較強的彈性和較低的黏性，能夠滿足實際應(yīng)用中的力學(xué)需求。四、光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的影響因素4.1光的因素4.1.1光的波長和強度光的波長和強度對絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變具有至關(guān)重要的影響，不同波長和強度的光會顯著改變轉(zhuǎn)變速率以及成膠質(zhì)量。從光與物質(zhì)相互作用的基本原理來看，光的波長決定了其能量大小，不同波長的光能夠激發(fā)不同的化學(xué)反應(yīng)。在絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變體系中，對于基于2-硝基苯甲醛（2-NBA）的光引發(fā)pH改變體系，特定波長的光能夠激發(fā)2-NBA發(fā)生分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部重組，釋放質(zhì)子使溶液pH值改變，進而促使絲素蛋白成膠。通過實驗數(shù)據(jù)可以清晰地觀察到這種影響。當使用波長為365nm的紫外光照射含有2-NBA的絲素蛋白溶液時，隨著光強度的增加，絲素蛋白的成膠時間明顯縮短。在光強度為5mW/cm2時，成膠時間約為30min；而當光強度增加到20mW/cm2時，成膠時間縮短至15min左右。這表明較高強度的光能夠更快速地激發(fā)2-NBA的光化學(xué)反應(yīng)，加速質(zhì)子的釋放，從而加快絲素蛋白的成膠過程。不同波長的光對成膠質(zhì)量也有顯著影響。在近紅外光（NIR）激發(fā)上轉(zhuǎn)換納米粒子（UCNPs）介導(dǎo)的絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變實驗中，對比不同波長的近紅外光發(fā)現(xiàn)，波長為980nm的近紅外光能夠更有效地激發(fā)UCNPs發(fā)射出紫外光，進而引發(fā)絲素蛋白的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變。與其他波長的近紅外光相比，在980nm近紅外光照射下形成的絲素蛋白凝膠具有更均勻的結(jié)構(gòu)和更好的力學(xué)性能。這是因為980nm的近紅外光與UCNPs的能級匹配度更高，能夠更高效地實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生足夠強度的紫外光來激發(fā)2-NBA，從而促進絲素蛋白分子間的交聯(lián)和結(jié)構(gòu)形成。光的波長和強度還會影響絲素蛋白凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。在不同波長和強度的光照射下，通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察絲素蛋白凝膠的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，較短波長和較高強度的光照射下形成的凝膠，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密，孔徑更小。在波長為300nm的紫外光和較高強度照射下，凝膠的孔徑約為50nm；而在波長為400nm的光和較低強度照射下，凝膠的孔徑增大到100nm左右。這種微觀結(jié)構(gòu)的差異會直接影響凝膠的性能，如力學(xué)性能、溶脹性能和物質(zhì)傳輸性能等。較致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常會使凝膠具有更高的力學(xué)強度，但溶脹性能和物質(zhì)傳輸性能可能會受到一定限制。4.1.2光照時間光照時間是影響絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的另一個關(guān)鍵因素，它與絲素蛋白的成膠程度以及結(jié)構(gòu)變化之間存在著密切的關(guān)系。在光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程中，隨著光照時間的延長，絲素蛋白分子經(jīng)歷了一系列的物理和化學(xué)變化。以基于2-硝基苯甲醛（2-NBA）的光引發(fā)pH改變體系為例，在光照初期，2-NBA吸收光子后開始發(fā)生分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部重組，但此時質(zhì)子釋放量較少，溶液pH值變化不明顯，絲素蛋白分子間的相互作用較弱，體系仍保持溶膠狀態(tài)。隨著光照時間的增加，2-NBA持續(xù)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，釋放出更多的質(zhì)子，溶液pH值逐漸降低。當pH值降低到一定程度時，絲素蛋白分子中的氨基（-NH?）質(zhì)子化形成-NH??，分子間的靜電排斥力減弱，氫鍵和疏水相互作用增強，促使絲素蛋白分子開始聚集并形成β-折疊結(jié)構(gòu)。繼續(xù)延長光照時間，β-折疊結(jié)構(gòu)不斷增加和擴展，絲素蛋白分子進一步交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟z狀態(tài)。通過實驗可以直觀地觀察到光照時間與成膠程度的關(guān)系。在使用波長為365nm的紫外光照射含有2-NBA的絲素蛋白溶液的實驗中，當光照時間為5min時，溶液基本保持溶膠狀態(tài)，流動性良好；光照時間延長至10min時，溶液開始變得黏稠，但仍可流動；當光照時間達到15min時，溶液逐漸失去流動性，形成半透明的凝膠。隨著光照時間進一步延長至20min和25min，凝膠的硬度逐漸增加，這表明凝膠的交聯(lián)程度不斷提高，成膠程度更加完全。光照時間還會對絲素蛋白凝膠的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響。利用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）和X射線衍射儀（XRD）對不同光照時間下形成的絲素蛋白凝膠進行分析發(fā)現(xiàn)，隨著光照時間的增加，絲素蛋白凝膠中β-sheet結(jié)構(gòu)的特征吸收峰強度逐漸增強，SilkII結(jié)構(gòu)的含量逐漸增加，結(jié)晶度提高。在光照時間為10min時，β-sheet結(jié)構(gòu)的特征吸收峰較弱，SilkII結(jié)構(gòu)的含量較低；當光照時間延長至20min時，β-sheet結(jié)構(gòu)的特征吸收峰明顯增強，SilkII結(jié)構(gòu)的含量顯著增加，結(jié)晶度從原來的20%左右提高到35%左右。這表明較長的光照時間能夠促進絲素蛋白分子形成更多的β-sheet結(jié)構(gòu)，進而形成更有序的SilkII晶體結(jié)構(gòu)，使凝膠的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。確定最佳光照時間需要綜合考慮多個因素。一方面，要考慮絲素蛋白的成膠程度和性能要求。如果光照時間過短，絲素蛋白可能無法完全成膠，凝膠的性能，如力學(xué)強度、穩(wěn)定性等可能無法滿足應(yīng)用需求。在組織工程應(yīng)用中，若凝膠的交聯(lián)程度不足，其力學(xué)強度較低，無法為細胞的生長和組織的修復(fù)提供足夠的支撐。另一方面，光照時間過長也可能導(dǎo)致一些不利影響，如過度交聯(lián)可能使凝膠變得脆硬，失去良好的柔韌性和生物相容性。還可能引發(fā)一些副反應(yīng)，影響凝膠的質(zhì)量和性能。在確定最佳光照時間時，可以通過實驗測試不同光照時間下絲素蛋白凝膠的各項性能指標，如力學(xué)性能、溶脹性能、生物相容性等，然后根據(jù)實際應(yīng)用需求，選擇能夠使凝膠性能達到最佳平衡的光照時間。在藥物遞送應(yīng)用中，需要凝膠具有合適的降解速率和藥物釋放性能，通過實驗測試不同光照時間下凝膠的這些性能，找到能夠滿足藥物釋放要求的最佳光照時間。4.2絲素蛋白自身因素4.2.1絲素蛋白的濃度絲素蛋白的濃度對溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程和最終形成的凝膠性能有著顯著影響。從分子層面來看，絲素蛋白濃度的變化直接影響分子間的相互作用和交聯(lián)程度。當絲素蛋白濃度較低時，分子間的距離相對較大，相互碰撞和交聯(lián)的概率較低。在這種情況下，絲素蛋白分子形成β-折疊結(jié)構(gòu)和交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的過程相對緩慢，導(dǎo)致成膠時間延長。當絲素蛋白濃度為2wt%時，在光控條件下，其成膠時間明顯長于濃度為4wt%的情況。較低濃度下形成的凝膠，由于分子間交聯(lián)點較少，其機械強度相對較弱。在拉伸測試中，低濃度絲素蛋白形成的凝膠在較小的外力作用下就容易發(fā)生破裂，無法承受較大的負荷。隨著絲素蛋白濃度的增加，分子間的距離減小，相互作用增強。較高濃度的絲素蛋白分子具有更多的活性位點，在光控條件下，能夠更快速地發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成β-折疊結(jié)構(gòu)和三維網(wǎng)絡(luò)，從而縮短成膠時間。當絲素蛋白濃度增加到6wt%時，成膠時間顯著縮短。高濃度下形成的凝膠，由于分子間交聯(lián)點增多，其機械強度得到明顯提高。在壓縮測試中，高濃度絲素蛋白形成的凝膠能夠承受更大的壓力而不發(fā)生明顯變形。然而，絲素蛋白濃度過高也會帶來一些問題。過高的濃度會導(dǎo)致溶液的黏度急劇增加，流動性變差，不利于光引發(fā)劑和光的均勻分布。這可能會導(dǎo)致溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程不均勻，局部成膠過快或過慢，影響凝膠的質(zhì)量和性能。在高濃度絲素蛋白溶液中，由于分子間相互作用過強，可能會形成較大的聚集體，這些聚集體在成膠過程中難以均勻分散，導(dǎo)致凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻，出現(xiàn)局部密度過高或過低的情況。絲素蛋白濃度對凝膠的微觀結(jié)構(gòu)也有影響。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，低濃度絲素蛋白形成的凝膠，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為疏松，孔徑較大。而高濃度絲素蛋白形成的凝膠，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密，孔徑較小。這種微觀結(jié)構(gòu)的差異會影響凝膠的溶脹性能、物質(zhì)傳輸性能等。較疏松的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得凝膠具有較高的溶脹性，能夠吸收更多的水分，但物質(zhì)傳輸速率相對較快；而致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)則限制了凝膠的溶脹性和物質(zhì)傳輸速率。4.2.2絲素蛋白的分子結(jié)構(gòu)絲素蛋白的分子結(jié)構(gòu)，包括氨基酸序列和二級結(jié)構(gòu)，對光控成膠過程有著至關(guān)重要的影響，其內(nèi)在機制涉及分子間相互作用和結(jié)構(gòu)重排。絲素蛋白由18種氨基酸組成，其中甘氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala）和絲氨酸（Ser）的含量約占85%。這種獨特的氨基酸序列賦予了絲素蛋白特殊的物理化學(xué)性質(zhì)。甘氨酸和丙氨酸的側(cè)鏈較小，使得絲素蛋白分子能夠緊密排列，有利于形成穩(wěn)定的β-折疊結(jié)構(gòu)。在光控成膠過程中，這些氨基酸殘基之間的相互作用對β-折疊結(jié)構(gòu)的形成和擴展起著關(guān)鍵作用。當光引發(fā)體系作用于絲素蛋白溶液時，絲素蛋白分子中的氨基酸殘基會發(fā)生一系列的物理和化學(xué)變化。2-硝基苯甲醛（2-NBA）在光照射下使溶液pH值降低，會影響絲素蛋白分子中氨基酸殘基的電荷狀態(tài)。絲素蛋白分子中的氨基（-NH?）質(zhì)子化形成-NH??，分子間的靜電排斥力減弱，氫鍵和疏水相互作用增強。甘氨酸和丙氨酸等氨基酸殘基之間的疏水相互作用促使分子鏈發(fā)生重排，形成β-折疊結(jié)構(gòu)。絲素蛋白的二級結(jié)構(gòu)主要包括SilkI和SilkII。SilkI包括螺旋及其他非β-折疊的構(gòu)象，呈水溶性，屬于亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度較低。SilkII結(jié)構(gòu)則主要指反向平行的β-折疊構(gòu)象，屬于單斜晶系，具有最高的結(jié)晶度，因此具備穩(wěn)定性、水不溶性、耐熱性和較好的機械性能。在光控成膠過程中，絲素蛋白的二級結(jié)構(gòu)會發(fā)生轉(zhuǎn)變。隨著光照射時間的增加，絲素蛋白分子逐漸從SilkI結(jié)構(gòu)向SilkII結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變是由于光引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)改變了分子間的相互作用，促使分子鏈進一步有序排列。利用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）和X射線衍射儀（XRD）對不同光照射時間下的絲素蛋白凝膠進行分析，可以清晰地觀察到這種二級結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。在FT-IR光譜中，隨著光照射時間的增加，β-折疊結(jié)構(gòu)在1620-1640cm?1波數(shù)范圍內(nèi)的特征吸收峰強度逐漸增強，而SilkI結(jié)構(gòu)中α-螺旋在1650-1660cm?1波數(shù)處的吸收峰強度相對減弱。在XRD圖譜中，SilkII結(jié)構(gòu)的特征衍射峰逐漸變得明顯，表明其含量逐漸增加。絲素蛋白分子中不同二級結(jié)構(gòu)的比例對凝膠的性能有著顯著影響。含有較多SilkII結(jié)構(gòu)的凝膠，由于其分子鏈排列更加有序，結(jié)晶度較高，具有更好的機械性能和穩(wěn)定性。在拉伸測試中，SilkII結(jié)構(gòu)含量較高的絲素蛋白凝膠能夠承受更大的拉力而不發(fā)生斷裂。而SilkI結(jié)構(gòu)含量較高的凝膠，由于其分子鏈的無序性，機械性能相對較弱，穩(wěn)定性較差。四、光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的影響因素4.3添加劑的影響4.3.1光引發(fā)劑的濃度和種類光引發(fā)劑的濃度和種類對光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變有著顯著的影響，不同的濃度和種類會導(dǎo)致轉(zhuǎn)變過程和最終凝膠性能的差異。在濃度方面，以2-硝基苯甲醛（2-NBA）為例，隨著其在絲素蛋白溶液中濃度的增加，絲素蛋白的成膠時間明顯縮短。當2-NBA濃度為0.1mmol/L時，在紫外光照射下，絲素蛋白的成膠時間約為40min；而當2-NBA濃度增加到0.5mmol/L時，成膠時間縮短至15min左右。這是因為較高濃度的2-NBA在光照下能夠更快速地發(fā)生分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部重組，釋放更多的質(zhì)子，使溶液pH值迅速降低，從而加速絲素蛋白分子間的聚集和交聯(lián)，促進成膠過程。濃度過高也可能帶來一些問題。過高濃度的2-NBA可能導(dǎo)致溶液pH值下降過快，使絲素蛋白分子的聚集和交聯(lián)過于迅速，從而形成不均勻的凝膠結(jié)構(gòu)。過高濃度的光引發(fā)劑可能在凝膠中殘留，影響凝膠的生物相容性和穩(wěn)定性。在一些生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，殘留的光引發(fā)劑可能對細胞產(chǎn)生毒性，限制了凝膠的應(yīng)用范圍。不同種類的光引發(fā)劑對絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的影響也各不相同。自由基型光引發(fā)劑和陽離子型光引發(fā)劑由于其產(chǎn)生活性物種的方式和反應(yīng)機理不同，會導(dǎo)致絲素蛋白的交聯(lián)方式和凝膠結(jié)構(gòu)存在差異。自由基型光引發(fā)劑如安息香乙醚，在紫外線照射下，分子中的C-O鍵發(fā)生均裂，生成自由基，這些自由基與絲素蛋白分子中的不飽和鍵發(fā)生加成反應(yīng)，引發(fā)交聯(lián)聚合。這種交聯(lián)方式形成的凝膠，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對較為疏松，具有較高的溶脹性。陽離子型光引發(fā)劑如二芳基碘鎓鹽，在光照下產(chǎn)生芳基陽離子，與絲素蛋白分子中的富電子基團發(fā)生親電反應(yīng)，引發(fā)陽離子聚合。陽離子聚合形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常更為致密，機械強度較高，但溶脹性相對較低。不同種類光引發(fā)劑對絲素蛋白凝膠性能的影響還體現(xiàn)在生物相容性和穩(wěn)定性方面。一些自由基型光引發(fā)劑在光照后可能產(chǎn)生一些副產(chǎn)物，這些副產(chǎn)物可能具有一定的毒性，對絲素蛋白凝膠的生物相容性產(chǎn)生不利影響。而陽離子型光引發(fā)劑在引發(fā)聚合過程中，可能會引入一些離子雜質(zhì)，影響凝膠的穩(wěn)定性。在選擇光引發(fā)劑時，需要綜合考慮其對絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的影響以及凝膠的最終應(yīng)用需求，選擇合適的光引發(fā)劑種類和濃度，以獲得性能優(yōu)良的絲素蛋白凝膠。4.3.2其他添加劑（如乙醇等）乙醇作為一種常見的添加劑，在絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變體系中與絲素蛋白、光引發(fā)劑之間存在著復(fù)雜的相互作用，這些相互作用對絲素蛋白的成膠性能產(chǎn)生了綜合影響。乙醇與絲素蛋白分子之間存在著氫鍵相互作用。乙醇分子中的羥基（-OH）能夠與絲素蛋白分子中的極性基團，如氨基（-NH?）、羥基（-OH）等形成氫鍵。這種氫鍵的形成改變了絲素蛋白分子周圍的溶劑環(huán)境，使得絲素蛋白分子間的相互作用發(fā)生變化。乙醇分子的介入削弱了水分子對絲素蛋白分子中疏水基團的水化作用，使得疏水基團之間更容易相互靠近并聚集。絲素蛋白分子中含有較多的疏水氨基酸殘基，如甘氨酸、丙氨酸等。在乙醇的作用下，這些疏水基團之間的疏水相互作用增強，促使絲素蛋白分子逐漸排列成有序的結(jié)構(gòu)。在光引發(fā)體系中，乙醇對光引發(fā)劑的作用也不可忽視。乙醇能夠影響光引發(fā)劑在絲素蛋白溶液中的溶解性和分散性。對于一些光引發(fā)劑，如2-硝基苯甲醛（2-NBA），乙醇的加入可以提高其在絲素蛋白溶液中的溶解度，使其更均勻地分散在體系中。這有助于光引發(fā)劑在光照下更有效地產(chǎn)生活性物種，促進絲素蛋白的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變。乙醇還可能參與光引發(fā)劑的光化學(xué)反應(yīng)過程。在一些情況下，乙醇分子可以作為氫供體或電子供體，參與光引發(fā)劑產(chǎn)生自由基的反應(yīng)，從而影響自由基的生成速率和活性，進一步影響絲素蛋白的成膠過程。從成膠性能的綜合影響來看，乙醇的加入能夠顯著促進絲素蛋白的成膠過程。在含有2-NBA的絲素蛋白溶液中加入適量的乙醇，能夠使絲素蛋白的成膠時間明顯縮短。這是由于乙醇與絲素蛋白分子之間的氫鍵和疏水相互作用，以及乙醇對光引發(fā)劑的影響，協(xié)同促進了絲素蛋白分子間的交聯(lián)和聚集。乙醇還對絲素蛋白凝膠的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生影響。通過傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）和掃描電子顯微鏡（SEM）分析發(fā)現(xiàn)，加入乙醇后形成的絲素蛋白凝膠，其β-sheet結(jié)構(gòu)的含量增加，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密。這種結(jié)構(gòu)的變化使得凝膠具有更好的機械性能和穩(wěn)定性。在拉伸測試中，含有乙醇的絲素蛋白凝膠能夠承受更大的拉力而不發(fā)生斷裂。五、光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的應(yīng)用5.1在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用5.1.1組織工程中的應(yīng)用在組織工程領(lǐng)域，光控絲素蛋白水凝膠展現(xiàn)出了卓越的應(yīng)用潛力，為組織修復(fù)與再生提供了創(chuàng)新的解決方案，其中在軟骨再生方面的應(yīng)用尤為突出。軟骨組織由于其自身缺乏血管、神經(jīng)和淋巴系統(tǒng)，自我修復(fù)能力極為有限。一旦軟骨受損，如在骨關(guān)節(jié)炎等疾病中，傳統(tǒng)治療方法往往只能暫時緩解癥狀，難以實現(xiàn)受損軟骨的完全修復(fù)。光控絲素蛋白水凝膠的出現(xiàn)為軟骨再生帶來了新的希望。光控絲素蛋白水凝膠能夠作為細胞載體和組織支架，為軟骨細胞的生長和組織修復(fù)提供理想的微環(huán)境。其獨特的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與天然細胞外基質(zhì)（ECM）高度相似，能夠為軟骨細胞提供物理支撐，促進細胞的黏附、增殖和分化。水凝膠的孔隙結(jié)構(gòu)有利于營養(yǎng)物質(zhì)的傳輸和代謝產(chǎn)物的排出，滿足軟骨細胞生長和代謝的需求。絲素蛋白本身具有良好的生物相容性，不會引起明顯的免疫反應(yīng)，能夠與軟骨細胞和諧共處，為細胞的生長和功能發(fā)揮創(chuàng)造有利條件。利用光控技術(shù)，可以實現(xiàn)水凝膠支架的原位成型，精確控制水凝膠在體內(nèi)的形成位置和時間。在軟骨修復(fù)手術(shù)中，將含有軟骨細胞和光響應(yīng)絲素蛋白溶液的混合液注射到受損部位，通過外部光照，使絲素蛋白迅速凝膠化，形成與受損部位形狀相匹配的支架。這種原位成型的方式能夠更好地適應(yīng)受損組織的復(fù)雜形狀，提高修復(fù)效果。通過調(diào)節(jié)光照條件，還可以精確控制水凝膠的交聯(lián)程度和力學(xué)性能，以滿足不同階段軟骨修復(fù)的需求。在軟骨修復(fù)的早期階段，需要水凝膠具有較好的柔韌性，以適應(yīng)組織的動態(tài)變化；隨著修復(fù)過程的進行，逐漸提高水凝膠的力學(xué)強度，為新生軟骨組織提供足夠的支撐。相關(guān)研究表明，將光控絲素蛋白水凝膠應(yīng)用于軟骨再生實驗中，取得了令人矚目的成果。在動物實驗中，對關(guān)節(jié)軟骨缺損的模型動物進行治療，使用光控絲素蛋白水凝膠負載軟骨細胞移植到缺損部位。經(jīng)過一段時間的觀察，發(fā)現(xiàn)軟骨缺損部位逐漸被新生的軟骨組織填充，組織學(xué)分析顯示，新生軟骨組織具有良好的結(jié)構(gòu)和細胞分布，與周圍正常軟骨組織的整合性良好。通過免疫組化等技術(shù)檢測發(fā)現(xiàn)，水凝膠中的絲素蛋白能夠促進軟骨特異性基因的表達，如II型膠原蛋白和聚集蛋白聚糖等，這些基因的表達對于軟骨組織的形成和維持至關(guān)重要。5.1.2藥物釋放系統(tǒng)在藥物釋放系統(tǒng)中，光控絲素蛋白凝膠展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)藥物的可控釋放，從而提高藥物療效并降低副作用。其原理基于光控絲素蛋白凝膠在光照下的結(jié)構(gòu)變化，這種變化能夠精確控制藥物的釋放速率和時間。光控絲素蛋白凝膠通常由絲素蛋白和光響應(yīng)分子組成。在無光條件下，藥物被包裹在絲素蛋白形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的束縛，藥物的釋放速率較慢。當受到特定波長的光照射時，光響應(yīng)分子發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，如2-硝基苯甲醛（2-NBA）在紫外光照射下分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部重組，釋放質(zhì)子使溶液pH值改變。這種pH值的改變會影響絲素蛋白分子間的相互作用，導(dǎo)致絲素蛋白凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，孔隙增大或減小，從而實現(xiàn)藥物的釋放。通過調(diào)節(jié)光照的強度、時間和波長等參數(shù)，可以精確控制光響應(yīng)分子的反應(yīng)程度，進而控制絲素蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化程度，實現(xiàn)對藥物釋放速率和時間的精準調(diào)控。在實際應(yīng)用中，光控絲素蛋白凝膠在多種疾病的治療中展現(xiàn)出了良好的效果。在癌癥治療領(lǐng)域，將抗癌藥物包裹在光控絲素蛋白凝膠中，通過外部光照，實現(xiàn)藥物在腫瘤部位的精準釋放。在動物實驗中，對荷瘤小鼠進行治療，將負載抗癌藥物的光控絲素蛋白凝膠注射到腫瘤部位附近。當使用特定波長的光照射腫瘤部位時，凝膠中的藥物被釋放出來，直接作用于腫瘤細胞，有效抑制了腫瘤的生長。與傳統(tǒng)的藥物治療方式相比，光控藥物釋放系統(tǒng)能夠減少藥物在非靶組織中的分布，降低藥物對正常組織的毒副作用。在糖尿病治療中，光控絲素蛋白凝膠也可用于胰島素的釋放。對于糖尿病患者來說，血糖的穩(wěn)定控制至關(guān)重要。將胰島素包裹在光控絲素蛋白凝膠中，通過檢測血糖水平，利用光控技術(shù)在血糖升高時精確釋放胰島素，能夠有效維持血糖的穩(wěn)定。這種個性化的藥物釋放方式能夠更好地滿足患者的生理需求，提高治療效果。五、光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的應(yīng)用5.2在其他領(lǐng)域的潛在應(yīng)用5.2.1智能材料光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變在智能響應(yīng)材料領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，為開發(fā)新型智能材料提供了新的途徑。其獨特的光響應(yīng)特性使得材料能夠根據(jù)外界光照條件的變化，迅速調(diào)整自身的結(jié)構(gòu)和性能，從而實現(xiàn)對環(huán)境刺激的智能響應(yīng)。在光響應(yīng)傳感器的制作方面，光控絲素蛋白水凝膠可作為敏感元件，用于檢測特定的生物分子或環(huán)境因素。當水凝膠與目標生物分子接觸時，生物分子與絲素蛋白分子之間會發(fā)生特異性相互作用，這種相互作用可能會改變絲素蛋白的分子構(gòu)象。在光照條件下，這種構(gòu)象變化會進一步影響絲素蛋白的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變行為，從而導(dǎo)致水凝膠的光學(xué)性質(zhì)，如顏色、熒光強度等發(fā)生改變。通過檢測這些光學(xué)性質(zhì)的變化，就可以實現(xiàn)對目標生物分子的靈敏檢測。在檢測葡萄糖時，將葡萄糖氧化酶固定在光控絲素蛋白水凝膠中。當葡萄糖存在時，葡萄糖氧化酶催化葡萄糖氧化，產(chǎn)生的過氧化氫會與水凝膠中的某些成分發(fā)生反應(yīng)，改變水凝膠的結(jié)構(gòu)。在光照下，這種結(jié)構(gòu)變化會導(dǎo)致水凝膠的熒光強度發(fā)生變化，通過檢測熒光強度的變化，就可以準確測定葡萄糖的濃度。光控絲素蛋白材料還可用于制作智能窗戶，實現(xiàn)窗戶的自動調(diào)光功能。在建筑物的窗戶上涂覆一層光控絲素蛋白薄膜，當外界光線強度較弱時，薄膜處于溶膠狀態(tài)，具有較高的透光性，能夠讓更多的光線進入室內(nèi)。當光線強度增強時，通過特定波長的光照射，薄膜迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槟z狀態(tài)，透光性降低，從而有效阻擋強光進入室內(nèi)。這種智能窗戶不僅能夠節(jié)省能源，還能為室內(nèi)提供舒適的光照環(huán)境。在智能響應(yīng)材料領(lǐng)域，光控絲素蛋白材料的應(yīng)用還可以拓展到形狀記憶材料方面。通過合理設(shè)計絲素蛋白的分子結(jié)構(gòu)和光響應(yīng)體系，制備出具有形狀記憶功能的絲素蛋白材料。在一定的光照條件下，材料可以從一種形狀轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形狀，并且在去除光照后，能夠保持新的形狀。當再次受到特定光照時，材料又能恢復(fù)到原來的形狀。這種形狀記憶特性使得光控絲素蛋白材料在智能機器人、生物醫(yī)學(xué)器械等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。在微型機器人的制作中，利用光控絲素蛋白材料的形狀記憶特性，可以實現(xiàn)機器人的自主變形和運動，從而完成一些復(fù)雜的任務(wù)。5.2.2食品工業(yè)在食品工業(yè)中，光控絲素蛋白溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變在食品加工和保鮮等方面具有潛