*本文只做阅读笔记分享*

一、研究背景与意义

嘿，大家好！今天咱们来聊聊合成丝纤维。像丝绸这类基于蛋白质的材料，因为它们出色又能调节的机械性能，越来越受关注啦。天然蜘蛛丝纤维可厉害呢，拉伸强度和钢铁差不多，韧性也超强，能和尼龙、凯夫拉织物媲美。虽然现在重组技术合成的丝绸纤维还没法完全赶上天然的，但它也有很多优点，像强度高、有韧性、有弹性、可降解、生物相容性好，还能抗菌呢。这些优点让它在医疗缝合线、蛋白质粘合剂、血管移植物等好多领域都有应用。

不过呢，合成像蜘蛛丝这样又强又韧的蛋白质纤维，有个大难题，就是搞清楚蛋白质序列和纺丝后拉伸过程之间的关系。以前的研究虽然揭示了一些丝绸纤维力学的关键信息，但都没把各向异性的分子描述和纤维机械性能直接联系起来。在这篇研究里，咱们要通过模拟来看看拉伸过程怎么影响丝绸纤维的性能，这对以后做预测模型可太重要啦！

二、模拟方法介绍

为了研究这个问题，研究人员用了一种叫耗散粒子动力学（DPD）的方法，把丝绸看成溶剂里的简单二嵌段共聚物。在模拟的时候，有不同分子量（MW）的蛋白质，分别是由2、8、16个亲水/疏水蜘蛛丝基序重复组成的，浓度都是20%（w/v）。这个浓度在合成高MW丝绸挤出时常用，但比天然的低，天然的能达到50%（w/v）呢。

在模拟丝绸拉伸的时候，研究人员会在系统平衡后，给每条蛋白质链两端施加大小相等、方向相反的拉力（Fp）。不过这个模型还没确定合适的断键标准，所以拉力不能太大，不能让蛋白质断裂，最大就用到222pN。整个模拟过程是先让系统平衡，让肽聚集成胶束结构，；然后加拉力拉伸蛋白质；最后释放拉力，进行单轴拉伸变形测试，看看纤维的机械性能。这个过程中，会用赫尔曼取向参数（s）和末端距（Ree）来衡量蛋白质的取向和拉伸程度。

三、拉伸力对分子取向和排列的影响

施加拉力（Fp）后，蛋白质的取向和排列会发生变化。对于n=16的蛋白质，随着模拟步骤推进，Ree和s的值会随着Fp改变，而且在拉伸变形阶段也有变化。低Fp和低MW的情况下，有时候在松弛阶段s会降到初始值，但在变形阶段，Fp=22.2pN和FP=0pN（未拉伸情况）还是有明显区别的。

长一点的蛋白质在Fp作用下更易拉伸，但要达到和短蛋白质一样的取向程度，就得用更大的力。为了更好地描述不同MW蛋白质的拉伸和取向关系，研究人员定义了两个变量，轮廓长度归一化末端距（Ree/Nmb）和拉伸比（λee）。

低MW系统随着力增加，很容易达到高取向程度，而且Ree/Nmb的值更高；λee对高MW蛋白质的力更敏感，在相同取向程度下，λee的值更高。

四、分子取向对氢键和均方位移（MSD）的影响

在很多聚合材料里，应变诱导结晶和氢键有关，在丝绸里也是。在这个DPD模型里，研究人员给“a”型珠子之间加了个非键谐波势项，来表示氢键形成的倾向。当两个“a”型珠子距离在氢键势能函数的截止距离（Rc=9.321A˚）内，就认为形成了氢键。

对于研究的所有MW蛋白质，拉伸后整体氢键数量会适度增加，大概在3%-8%，这和之前湿纺丝绸纤维的实验结果差不多，之前实验里拉伸比为7时，结晶度增加了10%左右。研究人员还发现，随着s0增加，蛋白质间氢键（HBinter）在总氢键（HBtot）里的占比会增加，而且在高s0和高MW的情况下，这种趋势更明显。不同取向程度下系统的结构变化，能看到胶束结构转变成类似薄片的结构，这可能就是高s0和高MW时蛋白质间氢键密度增加的原因。

MSD是衡量粒子热振动引起的局部刚度的指标，和机械性能有关系，特别是弹性模量。 “a”型结晶珠子、“b”型无定形珠子和所有蛋白质珠子的平均1-nsMSD值，都和s0有关。低<Ub2>说明“a”型珠子位置偏差比“b”型珠子小，因为“a”型珠子没被氢键稳定。增加MW或者s0都能降低MSD，在高MW和高s0的时候，MSD最小。

五、模拟机械性能包络线趋势的再现

给系统施加不同的Fp，得到不同取向程度的系统后，研究人员进行单轴拉伸变形模拟，来研究和s0相关的机械性能。从拉伸测试结果能看到，不同MW的系统，随着s0增加，机械性能有明显变化。比如，n=2系统，s0=0.92时的最大应力（σm），比n=8系统s0=0.57时高了近100倍；n=16系统s0=0.47时，比n=8系统s0=0.57时强度高250%，最大应变（ϵm）增加了近4倍，这就体现出MW对蜘蛛丝纤维强度和韧性的重要性。

对于每个MW的系统，ϵm和σm之间有明显的负相关关系，就是说在拉伸过程中，随着σm因为蛋白质取向和拉伸增强，ϵm会减小。σm和弹性模量（Ey）与s0正相关，ϵm与s0负相关。韧性（UT）在n=8系统里，随着s0增加先明显增加，然后趋于平稳；在n=16系统里则是持续慢慢增加。

六、实验验证与理论分析

研究人员用重组方法合成蜘蛛丝纤维，和模拟结果进行对比。合成的16xFGA蛋白质纤维经过拉伸后，用拉伸测试和拉曼光谱进行表征。

随着拉伸比（λdraw）增加，纤维的机械性能有变化，像σm和ϵm持续增加，UT在拉伸比大于3后有波动，但和λdraw关系不明显。

为了看看晶体区域的排列情况，研究人员用偏振拉曼光谱进行检测，通过计算酰胺Iβ片峰在平行和垂直方向的强度比（Iy/x）来衡量。随着λdraw增加，Iy/x减小，说明晶体区域排列更好，这和模拟中n=16系统里s0和λee的关系一致。除了低拉伸比时模拟没体现出的脆性，模拟和实验在机械性能趋势上基本吻合。

虽然实验和模拟结果有一定一致性，但要准确预测丝绸纤维的性能，还需要理论支持。之前的研究提出了一些理论，但有些概念不太明确。在这篇研究里，研究人员发现s0、Ree、<U2>和HBinter/HBtot这些可测量的特征，和之前理论里的有序分数（ford）有很强的相关性，这为建立更准确的理论描述提供了方向。

七、研究总结与展望

现在机器学习发展很快，对大量数据和模型的需求也越来越大。在蜘蛛丝研究领域，能把机械性能数据和氨基酸序列联系起来的数据还比较少，同时考虑加工和序列参数的数据就更少了。这篇研究用一种计算成本低的粗粒化分子动力学方法，找到了合成丝纤维机械性能和拉伸取向的关系。

不过这个研究也有一些不足的地方。比如模型现在还没有考虑到一级序列的分辨率，虽然可以用一些方法改进，但还需要进一步研究。而且模型忽略了合成丝绸纺丝的最后挤出步骤，这会影响模拟结果和实际纤维性能的对比。另外，模拟中还存在一些变化和不确定性，像不同起始配置的模拟，机械性能有波动，但还没找到相关变量。

尽管有这些问题，这篇研究还是给丝绸建模提供了新的思路，希望以后能发展出更好的方法，准确预测丝绸和其他生物材料的性能，把序列、加工和性能之间的关系研究得更透彻。要是大家还想深入了解研究的具体方法和数据，论文里有详细的材料和方法部分，还有补充材料可以查看哦！

八、一起来做做题吧

1、关于合成丝纤维研究背景，说法正确的是（）

A.天然蜘蛛丝纤维拉伸强度不如钢铁

B.重组合成的丝绸纤维已完全具备天然丝绸的机械性能

C.合成强韧蛋白质纤维的关键难题是了解蛋白质序列与纺丝后拉伸过程的关系

D.以往研究已将各向异性分子描述与纤维机械性能直接联系起来

2、在模拟丝绸拉伸实验中，施加拉力（Fp）的目的是（）

A.使蛋白质链断裂

B.诱导蛋白质的有序化和伸展

C.让蛋白质聚集成胶束结构

D.降低蛋白质的分子量

3、关于分子取向对氢键和MSD的影响，下列说法错误的是（）

A.拉伸后整体氢键数量会适度增加

B.随着s0增加，蛋白质间氢键在总氢键里的占比会减少

C.增加MW或s0能降低MSD

D.MSD与弹性模量有关

4、在模拟机械性能包络线趋势的实验中，下列说法正确的是（）

A. n=2系统的最大应力始终高于n=8系统

B. ϵm和σm之间呈正相关关系

C. 韧性（UT）在n=8和n=16系统中的变化趋势相同

D. σm和弹性模量（Ey）与s0正相关

5、关于合成丝纤维研究的总结与展望，下列说法错误的是（）

A.该研究已精确考虑了一级序列的分辨率

B.模型忽略了合成丝绸纺丝的最后挤出步骤

C.模拟存在变化和不确定性，机械性能有波动

D.此研究为丝绸建模提供了新的思路

参考文献：

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).