專利名稱：從絲蛋白質(zhì)制備線的方法和裝置的制作方法
從絲蛋白質(zhì)制備線的方法和裝置
本發(fā)明涉及從絲蛋白質(zhì)制備線的方法以及適于實(shí)施所述方法的裝置。 而且，本發(fā)明涉及由此獲得的線及其應(yīng)用。
天然的絲，例如蜘蛛絲，是具有很高拉伸強(qiáng)度并組合有高延伸率的特 殊材料。由于這些性質(zhì)，己經(jīng)將它試驗(yàn)了許多年以更大量地制備該材料。 因?yàn)椴豢梢允褂脛游锢缰┲胗糜谠撃康?，所以研究集中在重組獲得的絲 的原材料(例如蜘蛛絲)蛋白質(zhì)然后紡成線的方法的研究上。
作為原料，使用真實(shí)的絲蛋白質(zhì)(借助于所述絲基因的真實(shí)序列獲得的 重組體蛋白質(zhì))和合成的絲蛋白質(zhì)(基于合成的基因的蛋白質(zhì)，其中它們的 一級序列廣泛對應(yīng)于天然序列)。假設(shè)人工產(chǎn)生的線的品質(zhì)是由使用的原料 和施用的紡絲方法這兩者限定的?！?br> 如在天然的紡絲方法中，在人工紡絲方法中，絲蛋白質(zhì)必須從可溶形
式轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢扇苄问剑浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)盡可能地和真實(shí)的線一致。為此，Jdinski 的工作組開發(fā)了微紡絲裝置，所述裝置容許將數(shù)毫克的絲蛋白質(zhì)紡成數(shù)米 長的絲線(Liivak等，1998)。將溶解在六氟異丙醇中的蜘蛛棒絡(luò)新婦蛛 (iV印/n7a c/m^^)的絲用作原材料。將如此溶解的蛋白質(zhì)通過紡絲噴嘴注 入丙酮沉淀浴中。然而，由此獲得的線是非常難控制的并且?guī)缀醪伙@示對 于天然絲線的任何結(jié)構(gòu)相似性(Seidel等，1998; Seidel等，2000)。首先， 通過將它用水處理并且輔助拉拔所述線(紡絲后拉拔)，可以改善機(jī)械的和 結(jié)構(gòu)的參數(shù)。然而，還未實(shí)現(xiàn)天然絲的性質(zhì)(Seidd等，2000)。
另一個小組開發(fā)了紡絲技術(shù)，其中將甲醇/水混合物用作沉淀浴。用該 方法，合成的絲蛋白質(zhì)和蜘蛛棒絡(luò)新婦蛛(iV印/z^ c/m^w)的重組體 MaSpl可以從含有脲的溶液鈁絲。然而，這些也是難控制的(Arcidiacono 等，2002)。
通過利用相同技術(shù)，不用離液序列高的試劑(chaotropic reagents)溶解 的重組體ADF-3可以紡成線。同樣在該情況下，雖然沒有實(shí)現(xiàn)天然線的拉伸強(qiáng)度，但是可以通過紡絲后的拉拔改善所述線的性質(zhì)(Lazaris等，2002)。 牛津生物材料公司(Oxford Biomaterials)(牛津，英國)、紡絲技術(shù)股份有限 公司(Ludwigsburg，德國)和微技術(shù)美因茲股份有限公司研究所(Institut fiir Mikrotechnik Mainz GmbH)(美因茲，德國)開發(fā)了根據(jù)本發(fā)明人的知識水平 的方法，用所述方法，可以通過微透析法或類似的方法將絲蛋白質(zhì)紡成線。
另夕卜，存在借助于所謂電-紡絲而從絲蛋白質(zhì)獲得線的成功試驗(yàn)(Frank Ko教授，Drexd大學(xué)，費(fèi)城，PA，美國)。然而，那里還沒有公開關(guān)于如 此產(chǎn)生的線的機(jī)械性質(zhì)的任何情況。
US 2003/0201560涉及用于從蛋白質(zhì)溶液紡線的裝置。據(jù)說所述裝置 具有漏斗形式的截面，蛋白質(zhì)溶液或"添加劑"分別地通過所述截面，其 中該通道至少部分地由半透性的和/或多孔的材料組成。
WO 2005/017237特別涉及用于裝配蛋白質(zhì)的裝置。所述裝置具有管 狀通道，所述管狀通道的壁是部分可滲透的或多孔的。這在監(jiān)控pH、含 水量和離子組成方面具有優(yōu)勢。
WO 2004/057069涉及用于制備物體的方法和裝置，也特別是用,于從 蜘蛛絲蛋白質(zhì)紡線的方法和裝置。該方法基本涉及蛋白質(zhì)溶液的溶膠-凝膠 轉(zhuǎn)變，所述轉(zhuǎn)變例如通過添加鉀，優(yōu)選氟化鉀而實(shí)現(xiàn)。而且，這里說明， 用于實(shí)施所述方法的裝置具有半透性或多孔形式的"轉(zhuǎn)變隔室"。
WO 2003/060099涉及蜘蛛絲纖維或生物纖絲的各自制備。在給定的 裝置中，描述了 "擠出單元"，蜘蛛絲蛋白質(zhì)溶液通過所述擠出單元。WO 2003/060099特別涉及將所述纖絲在空氣接觸以后插入凝固浴中。
因此，在前使用的和公開的紡絲蜘蛛絲蛋白質(zhì)的方法大多數(shù)基于將蛋 白質(zhì)溶液注射于沉淀浴中。對于穩(wěn)定紡絲溶液中的蛋白質(zhì)的可溶狀態(tài)，所 述沉淀浴通常含有離液序列高的物質(zhì)或有機(jī)溶劑。為了補(bǔ)償這些添加劑的 影響并誘導(dǎo)蛋白質(zhì)裝配，因此將離子促變劑加入到沉淀浴。
相反，本發(fā)明的目的是提供制備絲蛋白質(zhì)的方法和裝置，所述方法和 裝置不必使用沉淀浴以及添加天然的離液序列高的試劑或離子促變劑。本 發(fā)明的另一個目的是借助于方法和裝置制備穩(wěn)定的絲蛋白質(zhì)，所述絲蛋白 質(zhì)具有近似或相當(dāng)于天然絲蛋白質(zhì)的機(jī)械性質(zhì)。本發(fā)明的另外目的是以高 收率即，以適于大規(guī)模制備的量制備絲線。這些目的是通過獨(dú)立權(quán)利要求的主題解決的。在從屬權(quán)利要求中給出 了優(yōu)選實(shí)施方案。
如上所述，在前使用的用于紡絲蜘蛛絲蛋白質(zhì)的方法大多數(shù)基于在沉 淀浴中蛋白質(zhì)溶液的注射，其中所述沉淀浴通常含有用于在紡絲溶液中穩(wěn) 定蛋白質(zhì)的可溶狀態(tài)的離液序列高的，.離子促變的物質(zhì)或有機(jī)溶劑。—
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，相反，天然的絲裝配，例如在蜘蛛中，是由其它因素介導(dǎo) 的。關(guān)鍵方法是通過將鉀和磷酸根離子添加到水性的，蛋白質(zhì)含量少的和 富含蛋白質(zhì)的相中而導(dǎo)致的紡絲溶液的相分離。通過隨后拉拔完成的線而 產(chǎn)生的富含蛋白質(zhì)的相的延伸導(dǎo)致絲蛋白質(zhì)的裝配。
和天然的蜘蛛絲相比時是相對差的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)人工紡成的線的機(jī) 械性質(zhì)表明，相分離和延伸是機(jī)械穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形成的重要因素。然而，該發(fā) 現(xiàn)還沒有用于生產(chǎn)絲線。
與上面描述的現(xiàn)有技術(shù)的紡絲方法相比時，本發(fā)明的方法含有數(shù)個差
升°
根據(jù)本發(fā)明的方法是完全基于不添加非天然的離液序列高的試劑或 離子促變劑的水溶液。在不希望受限于任何理論的情況下，由于上述，所 述蛋白質(zhì)大概以相當(dāng)于天然狀態(tài)的構(gòu)象狀態(tài)存在。
紡絲溶液的組成改變將經(jīng)由擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)。因而，可以將所述溶液轉(zhuǎn)變?yōu)?br> 能夠裝配(assembly-competent)的狀態(tài)，而不必如沉淀浴中的情況一樣立即 采取固態(tài)。
通過拉拔部分裝配的富含蛋白質(zhì)的相而實(shí)現(xiàn)線裝配。從關(guān)于化學(xué)聚合 物的研究知道，濃縮的聚合物溶液的延伸導(dǎo)致單一聚合物鏈的排列并且因 而增加由此形成的纖維的穩(wěn)定性。因而，必須假定，在這里使用的基于拉 拔的方法優(yōu)于基于壓力的方法。
本發(fā)明的紡絲裝置容許從合成的蜘蛛絲生產(chǎn)要用于許多技術(shù)和工業(yè) 領(lǐng)域的高性能纖維。除了彈道學(xué)應(yīng)用諸如防彈裝備的開發(fā)以外，合成的蜘 蛛絲還可以用于降落傘、特殊的繩和網(wǎng)、體育用品、紡織品，而且也用于 輕型結(jié)構(gòu)元件。
本發(fā)明涉及下列方面和實(shí)施方案
根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及從絲蛋白質(zhì)制備線的方法，所述方法包括下列步驟
a) 提供絲蛋白質(zhì)的溶液；
b) 將所述溶液轉(zhuǎn)移到含有組合物的擴(kuò)散單元(diffiision unit)中，所述組 合物含有包含鉀和磷酸根離子(phosphate ion);
- c)使所述溶液通過所述擴(kuò)散單元，其中所述溶液與從所述擴(kuò)散單元擴(kuò):. 散出的鉀和磷酸根離子進(jìn)行接觸；
d) 將所述溶液分離成富含絲蛋白質(zhì)的和絲蛋白含量少的相；
e) 從所述富含蛋白質(zhì)的相獲得所述絲線。 優(yōu)選通過拉拔進(jìn)行所述絲線的獲得。
應(yīng)當(dāng)注意，術(shù)語"絲蛋白質(zhì)"，如在本申請中使用，原則上不受任何 限制。唯一的要求是在適當(dāng)條件下所述蛋白質(zhì)裝配成線的能力。在更接近 的意義上，所述絲蛋白質(zhì)的特征在于分別來自天然的或重組體來源的蛋白 質(zhì)，例如由蜘蛛(蜘蛛綱)或昆蟲(昆蟲鄰獲得的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)來源的實(shí)例 是蠶(家蠶CSomtyx mon'))，綠色草蛉(草蛉(C/w，o; w/a cw"ea))，蜘蛛(十 字園蛛(^rawe^ J/o^ema/to))禾口金色圓形蛛網(wǎng)蜘蛛(golden orb-web spider)(棒絡(luò)新婦蛛(A^ /h7" c/av^as))。
在這里使用的絲蛋白質(zhì)可以是真實(shí)的，即構(gòu)成天然的序列，或可以是 合成的，即基于合成基因的蛋白質(zhì)，其中它們的一級序列廣泛地相應(yīng)于天 然的序列。
單一的絲蛋白質(zhì)序列對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是可以經(jīng)由數(shù)據(jù)庫獲得的， 其中僅例舉性地參考十字園蛛的序列ADF-3和ADF-4，其在編號U47855 和U47856下是可獲得的。
術(shù)語"擴(kuò)散單元"，如在本文中使用，描述使組分從中擴(kuò)散和進(jìn)入其 中的儲存介質(zhì)。本發(fā)明的擴(kuò)散單元不是通常在現(xiàn)有技術(shù)中使用的多孔的或 半透性的膜，通過所述膜將可以使沒有儲存性質(zhì)的組分單向通過。本發(fā)明 的擴(kuò)散單元可以更確切地稱為基質(zhì)，其中，在一方面，提供形成富含蛋白 質(zhì)的相和蛋白質(zhì)含量少的相所必需的鉀和磷酸根離子，并且另一方面其中 吸收蛋白質(zhì)含量少的相(不用于線裝配)。
在一個實(shí)施方案中，a)中提供的紡絲溶液含有至少1%-50%，優(yōu)選 10-40%，最優(yōu)選10-20%(重量/體積)的絲蛋白質(zhì)。從實(shí)驗(yàn)，所述溶液的pH在4.0-12.0，優(yōu)選6.5-8.5的范圍內(nèi)并且最優(yōu)選8.0。所述溶液也稱為"添 加劑(dope)"。"添加劑"指的是流體或溶液，除蛋白質(zhì)單體以外，所述流 體或溶液可以另外包括蛋白質(zhì)聚集體，例如二聚體，三聚體和/或四聚體。 另外對于下列的溶劑，該蛋白質(zhì)溶液還可以包括添加劑例如防腐劑，以及 用于增強(qiáng)溶液穩(wěn)定性或加工性能的試劑。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，所述溶液優(yōu)選包括選自水、醇及其混合物的 極性溶劑。醇的實(shí)例包括甲醇，乙醇，丙醇，異丙醇或多價醇諸如甘油或 丙二醇。除它們的溶劑性質(zhì)以外，最后提到的溶劑還可以用作設(shè)定粘度的 試劑和/或用作防腐劑。
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施方案，獲得絲線的步驟包括將富含蛋白質(zhì)的相與氣體或 流體接觸。通常，所述氣體將是含有氧氣的氣體，即，在一個情況下，其 中特別需要氧化作用。另一方面，氣體還可以是惰性氣體諸如氮?dú)?、氬氣?氦氣等。這些氣體的混合物也是考慮的。
除與氣體物質(zhì)接觸之外，可以考慮與流體的接觸，所述流體的實(shí)例是 甲醇，乙醇，丙醇，異丙醇，丙酮，乙腈并且優(yōu)選甲醇。
在特別優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明的擴(kuò)散單元由凝膠材料形成。優(yōu)選 使用的凝膠材料是水凝膠，特別是包括聚丙烯酰胺、纖維素衍生物、聚乙 烯甲醚(PVME)、聚苯乙烯-聚丁二烯(PS-PB)、硬脂酰丙烯酸酯、聚乙烯 (PE)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸、聚(N-乙烯基吡咯烷 酮)(PVP)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚異丙烯丙烯酰胺、聚醚磺酸和/ 或硅氧垸水凝膠的水凝膠。
備選地，所述擴(kuò)散單元可以由陶瓷形成。
根據(jù)第二方面，本發(fā)明涉及實(shí)施上面限定的方法的裝置，所述裝置具
有
-將絲蛋白質(zhì)的溶液轉(zhuǎn)移到所述擴(kuò)散單元中的第一設(shè)備； -具有用于通過所述溶液的通道的擴(kuò)散單元，所述通道被含有鉀和磷 酸根離子的組合物所圍繞，其中所述溶液與從所述擴(kuò)散單元中擴(kuò)散出的鉀 和磷酸根離子接觸，以便所述擴(kuò)散單元在它的通道出口提供分離成富含絲 蛋白質(zhì)的和絲蛋白質(zhì)含量少的相的溶液；和
-從所述溶液的富含蛋白質(zhì)的相產(chǎn)生所述絲線的第二設(shè)備。根據(jù)按照本發(fā)明的裝置的一個優(yōu)選實(shí)施方案，將所述第一設(shè)備形成為 連接到可控制的泵的注射器。例如，控制設(shè)備，例如微控制器，控制所述 可控制的泵?？刂圃O(shè)備優(yōu)選具有存貯器，其中可以儲存用于驅(qū)動所述可控 制的泵的順序程序。
根據(jù)一個優(yōu)選實(shí)施方案，將第一設(shè)備形成為在連續(xù)過程中將所述溶液 轉(zhuǎn)移到擴(kuò)散單元中的可控制的泵系統(tǒng)。特別地，以這樣的方式形成上面描 述的控制程序，它控制并且因而確保將所述溶液轉(zhuǎn)移到擴(kuò)散單元的連續(xù)過 程。
根據(jù)另一個實(shí)施方案，所述擴(kuò)散單元在它的通道出口具有尖頂或噴
嘴，通過其可控制所述溶液從擴(kuò)散單元中的排放。噴嘴或尖頂(diminutkm) 是以這樣的方式構(gòu)成的，它的橫截面面積向外減少。
根據(jù)另一個優(yōu)選實(shí)施方案，將第二設(shè)備形成為由驅(qū)動設(shè)備驅(qū)動的巻帶 (roll)或巻軸，其從所述溶液的富含蛋白質(zhì)的相在擴(kuò)散單元出口處形成的液 滴中拉拔絲線。特別地，所述驅(qū)動設(shè)備也連接到控制設(shè)備，以便儲存在控 制設(shè)備存貯器中的順序程序也控制所述驅(qū)動裝置，因此特別確保拉拔所述 線的連續(xù)過程。
根據(jù)另一個優(yōu)選實(shí)施方案，所述巻帶或巻軸借助于蛋白質(zhì)裝配所需的 張力拉拔蜘蛛絲線。
根據(jù)另一個優(yōu)選實(shí)施方案，將所述擴(kuò)散單元形成為可交換的柱體 (cartridge)。
根據(jù)另一個優(yōu)選實(shí)施方案，所述驅(qū)動裝置具有電動機(jī)和/或齒輪箱。
根據(jù)另一個優(yōu)選實(shí)施方案，所述擴(kuò)散單元的通道具有用于通過所述溶 液的基本上恒定的內(nèi)徑。
因此，本發(fā)明的方法特別地區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)，例如US 2003/0201560， 其中全部實(shí)施方案中的管狀截面圖解為漏斗。特別指出的是，當(dāng)可以使用 具有逐漸縮小的幾何形狀的噴嘴時，可以改善纖維中分子的取向。優(yōu)選地， 本發(fā)明不遵循該方法。
根據(jù)另一個優(yōu)選實(shí)施方案，擴(kuò)散單元具有可以從所述擴(kuò)散單元除去富 含蛋白質(zhì)的相的第三設(shè)備。根據(jù)另一個優(yōu)選實(shí)施方案，將第三設(shè)備形成為真空泵。
在第三方面中，本發(fā)明涉及通過根據(jù)權(quán)利要求1-10的一項(xiàng)或多項(xiàng)的方
法可獲得的線。該線優(yōu)選地用于彈道學(xué)應(yīng)用諸如防彈裝備的開發(fā)，降落傘、 特殊的繩和網(wǎng)、體育用品織物，醫(yī)藥技術(shù)，以及飛行器的輕型結(jié)構(gòu)元件的 技術(shù)和工業(yè)中。-
現(xiàn)在將借助于附圖和實(shí)施例說明本發(fā)明。所述附圖顯示在下面


圖1是用于從絲蛋白質(zhì)制造線的根據(jù)本發(fā)明的裝置的例舉性實(shí)施方案 的示意性框圖2是根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)散單元的例舉性實(shí)施方案的示意性框圖； 圖3是本發(fā)明的裝置的照相圖片； 圖4是本發(fā)明的擴(kuò)散單元的照相圖片； 圖5表示所述裝配線的分析；和 圖6顯示
(A-C)來自十字園蛛的天然絲 .
(A)在拉伸試驗(yàn)以前，(B)在破裂所述樣品以后；(C)橫截面 (D-F)合成絲(AQ)24NR3樣品1:
(D)在拉伸試驗(yàn)以前，(E)在破裂所述樣品以后；(F)橫截面
在全部圖中，相同或功能相同的元件和設(shè)備，各自分配有相同的參考 號一除非另外說明它。
在圖1中，顯示根據(jù)本發(fā)明的裝置的優(yōu)選例舉性實(shí)施方案的示意性框圖。
用于實(shí)施從絲蛋白質(zhì)制備絲線7的方法的根據(jù)本發(fā)明的裝置1具有第 一設(shè)備2、擴(kuò)散單元4和第二設(shè)備6。
第一設(shè)備2將絲蛋白質(zhì)的溶液3傳遞到擴(kuò)散單元4中。優(yōu)選將第一設(shè) 備2形成為連接到可控制的泵21的注射器22。優(yōu)選將溶液3的儲器23 配置在泵21和注射器22之間。根據(jù)圖1，參考號F指的是溶液3在儲器 3中的流動方向。所述第一設(shè)備2還可以形成為在連續(xù)過程中將溶液3傳 遞到擴(kuò)散單元4中的可控制的泵系統(tǒng)。所述泵系統(tǒng)優(yōu)選具有至少一個軟管泵。
例如，將第一設(shè)備2經(jīng)由套管8連接到擴(kuò)散單元4。
擴(kuò)散單元4具有用于通過所述溶液3的通道41。所述通道41由含有 鉀和磷酸根離子的組合物42圍繞。所述溶液3與從擴(kuò)散單元4中擴(kuò)散出 的鉀和磷酸根離子進(jìn)行接觸，以便擴(kuò)散單元4在它的通道4i':的出—fl 43處 提供分離成富含絲蛋白質(zhì)的相5和絲蛋白質(zhì)含量少的相的溶液3。優(yōu)選地， 擴(kuò)散單元4在它的通道41的出口 43具有尖頂或噴嘴44，通過其所述溶液 3從擴(kuò)散單元4中的離開是可控制的，特別是由于它的幾何結(jié)構(gòu)。
此外，根據(jù)本發(fā)明的裝置1具有從溶液3的富含蛋白質(zhì)的相5產(chǎn)生絲 線7的第二設(shè)備6。特別地，將第二設(shè)備6形成為由驅(qū)動設(shè)備驅(qū)動的巻帶 或巻軸，其從所述溶液3的富含蛋白質(zhì)的相5在擴(kuò)散單元4的出口 43處 形成的液滴拉拔絲線7。特別地，巻帶6借助于蛋白質(zhì)裝配所必需的張力 拉拔所述絲線。驅(qū)動巻帶6的驅(qū)動設(shè)備特別具有電動機(jī)和/或齒輪箱。
圖2顯示圖1中顯示的擴(kuò)散單元4的更優(yōu)選的例舉性實(shí)施方案。用于 通過所述溶液3的通道41的內(nèi)徑d優(yōu)選是基本上恒定的。
擴(kuò)散單元4優(yōu)選形成為可交換的柱體，以便當(dāng)它用溶液3的蛋白質(zhì)含 量少的相飽和時可以特別地交換所述擴(kuò)散單元4。擴(kuò)散單元4特別具有可 以除去擴(kuò)散單元4的蛋白質(zhì)含量少的相的第三設(shè)備。例如，將該第三設(shè)備 形成為真空泵。另外，圖2中顯示的單元指的是具有參考號45的緩沖液 儲器。
實(shí)施例
這里所描述的發(fā)明將這些方法整合到允許機(jī)械彈性的蛋白質(zhì)線的自 動生產(chǎn)的紡絲方法中。
圖1以實(shí)施方案的形式顯示本發(fā)明的紡絲方法的示意圖。該方法基本 上包括四個部分?？煽刂频碾妱訖C(jī)/齒輪箱經(jīng)由注射器在擴(kuò)散單元中提供紡 絲溶液的連續(xù)供應(yīng)。在由凝膠組成的該單元中，鉀和磷酸根離子擴(kuò)散到紡 絲溶液中，導(dǎo)致相分離。將富含蛋白質(zhì)的和蛋白質(zhì)含量少的相進(jìn)一步輸運(yùn) 到擴(kuò)散單元的出口，并且在那里它們將與空氣進(jìn)行接觸。該接觸對于紡絲 方法是必需的并且可能導(dǎo)致通過干燥過程的水相減少?？梢詮母缓鞍踪|(zhì)的相形成的液滴拉拔線(圖2)。通過將所述線纏繞 到經(jīng)由可控制的電動機(jī)驅(qū)動的巻帶上，可以保持蛋白質(zhì)裝配所必需的張力 并且可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的線形成。圖2顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案的擴(kuò)散 單元的元件。
- 提供的技術(shù)的功能性能可以通過原型的結(jié)構(gòu)所顯示(圖3)。電動機(jī)和 齒輪箱單元以及原型樣機(jī)的骨架是從金屬結(jié)構(gòu)工具箱(Compakt技術(shù)有限 責(zé)任公司，Schriesheim，德國)的元件裝配的。具有金屬針(規(guī)格22，尖端 類型3; Hamilton, Bonadutz，瑞士)的25 pl玻璃注射器用于供應(yīng)所述紡絲 溶液。圖3顯示本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案。
所述擴(kuò)散單元由平衡在0.5 M磷酸鉀pH 8.0中的20%聚丙烯酰胺凝膠 組成。具有0.7 mm直徑的通道通過所述凝膠并且以約為0.2 mm的內(nèi)徑的 塑料尖端形式終止(圖4)。將蛋白質(zhì)線用直徑為4 cm并且以60 rpm旋轉(zhuǎn)的 特氟隆巻帶纏繞。圖4顯示關(guān)于擴(kuò)散單元的概述。
用這個原型，可以將合成的絲蛋白質(zhì)(AQ)24NR3(見Huemmerich等， 2004)的25%溶液紡成4 nm厚的線。圖5表示裝配的線的分析。(B)所述 線是借助于特氟隆巻帶纏繞的。(B)產(chǎn)生的線的掃描電子顯微鏡圖片。
在所述紡絲裝置中紡絲以后，歐洲園蛛(十字園蛛)的天然絲與合成絲 (AQ)24NR3的纖維相比的機(jī)械性質(zhì)(見圖5C):
材料平均面積楊氏模量 (Young's Module)張力破壞伸長魯棒性拉伸能量 吸收[MPa][%][J/m2][MJ/m3]
來自十字2.5± 0.111.9±0.9474± 208.96±0.061232 ±5028.7
園蛛的天
然絲
(AQ)24NR31.7±0,46.9 ± 1.4238 ±5814.1±0.11029±24225.4
樣品1
(AQ)24NR31.8 ±0.28.2 ±2.0254 ± 4510.8 ±0.11169± 15424.5
樣品2
13參考文獻(xiàn)
Arcidiacono, S.， Mello， C.M.， Butler, M,, Welsh, E.， Soares, J. W.， Allen, A.， Ziegler, D., Laue, T, & Chase, S. (2002)重組蜘蛛絲的水性加工和纖維 紡絲(Aqueoas processing and fiber spinning of recombinant spider'silks).大 分f (Macramo/ecw/es ) 35: 1262-6.
Huemmerich, D., Helsen， C. W.， Quedzuweit， S., Oschmann, J., Rudolph, R. & Scheibd, T. (2004)蜘蛛拖絲絲的一級結(jié)構(gòu)要素和它們對于蛋白質(zhì)溶 角率度白勺貢獻(xiàn)(Primary structure elements of spider dragline silks and their contribution to protein solubility).生物"f七學(xué)(5Zoc/7em^/^7 ) 43: 13604-12
Lazaris， A.， Arcidiacono， S., Huang, Y" Zhou, J. F.， Duguay， R， Chretien, N.， Welsh, E.A., Soares, J. W. & Karatzas, C. N. (2002)從動物細(xì)胞中產(chǎn)生的 可溶重組絲紡成的蜘蛛絲纖維(Spider silk fibers spun from soluble recombinant silk produced in mammalian cells).禾斗學(xué)(jSWewce ) 295: 472-6
Liivak, O., Blye， A., Shah, S. & Jelinski， L. W. (1998)用于紡絲絲蛋白 質(zhì)纖維的微裝配的濕法紡絲裝置.結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系(A Microfabricated Wet-Spinning Apparatus To Spin Fibers of Silk Proteins, Structure-Property Correlations.)大分子(Afacrawo/ecw/e力31: 2947-51
Seidel, A" Liivak, O. & Jelinski, L. W. (1998)蜘蛛絲的人工紡絲 (Artificial Spinning of Spider Silk.)大分子(她cra歸/ecw/— 31: 6733-6
Seidel, Al" Liivak, O.， Calve, S., Adaska， J" Ji， G. D.， Yang, Z. T" Gmbb, D., Zax,D.B.& Jelinski, L.W. (2000)再生的蜘蛛絲加工、性質(zhì)、和結(jié)構(gòu) (Regenerated spider silk: Processing, properties, and structure.) 大分子 (M"acramo/ecw/e力33: 775-80
Vollrath, R & Knight， D.P. (2001)蜘蛛絲的液體結(jié)晶紡絲(Liquid crystalline spinning of spider silk), 自然(7Vaft^e) 410: 541-8
權(quán)利要求
1.從絲蛋白質(zhì)制備線的方法，所述方法包括下列步驟a)提供絲蛋白質(zhì)的溶液；b)將所述溶液轉(zhuǎn)移到含有組合物的擴(kuò)散單元中，所述組合物包含鉀和磷酸根離子；c)使所述溶液經(jīng)過所述擴(kuò)散單元，其中所述溶液與從所述擴(kuò)散單元擴(kuò)散出的鉀和磷酸根離子進(jìn)行接觸；d)將所述溶液分離成富含絲蛋白質(zhì)的相和絲蛋白質(zhì)含量少的相；e)從所述富含蛋白質(zhì)的相獲得所述絲線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述紡絲溶液含有至少1%-50%，優(yōu) 選10-40%，最優(yōu)選10-20%(重量/體積)的絲蛋白質(zhì)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中所述溶液的pH是4.0-12.0，優(yōu)選 6.5-8.5，最優(yōu)選8.0。
4. 根據(jù)上述權(quán)利要求的一項(xiàng)或多項(xiàng)的方法，其中所述溶液包括天然的 或合成的絲蛋白質(zhì)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述絲蛋白質(zhì)來源于以下種家蠶 C6ow6少x mon〕，十字園蛛(Jrawew Aa<iemaft^)，禾口/或棒絡(luò)f 婦蛛(7Vep/H7a
6. 根據(jù)上述權(quán)利要求的一項(xiàng)或多項(xiàng)的方法，其中所述溶液包括優(yōu)選選 自水、醇及其混合物的極性溶劑。
7. 根據(jù)上述權(quán)利要求的一項(xiàng)或多項(xiàng)的方法，其中所述絲線的生產(chǎn)包括 將所述富含蛋白質(zhì)的相與氣體或流體接觸。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述氣體選自02、惰性氣體或其混合
9. 根據(jù)上述權(quán)利要求的一項(xiàng)或多項(xiàng)的方法，其中所述擴(kuò)散單元是由凝 膠材料或陶瓷形成的。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述凝膠材料選自水凝膠，特別 選自聚丙烯酰胺、纖維素衍生物、聚乙烯甲醚(PVME)、聚苯乙烯-聚丁二 烯(PS-PB)、硬脂酰丙烯酸酯、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸、聚(N-乙烯基吡咯烷酮)(PVP)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚異丙烯丙烯酰胺、聚醚磺酸、硅氧烷水凝膠。
11. 用于實(shí)施根據(jù)上述權(quán)利要求的一項(xiàng)或多項(xiàng)的方法的裝置(l)，其具有將絲蛋白質(zhì)的溶液(3辨移到所述擴(kuò)散單元(4)中的第一設(shè)備(2);具有用于通過所述溶液(3)的通道(41)的擴(kuò)散單元(4)，所述通道(41)被 含有鉀和磷酸根離子的組合物(42)所圍繞，其中所述溶液(3)與從所述擴(kuò)散 單元(4)中擴(kuò)散出的鉀和磷酸根離子接觸，以便所述擴(kuò)散單元(4)在它的通道 (41)的出口(43展供分離成富含絲蛋白質(zhì)的和絲蛋白質(zhì)含量少的相(5)的溶 液(3);和從所述溶液(3)的富含蛋白質(zhì)的相(5)產(chǎn)生所述絲線(7)的第二設(shè)備(6)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的裝置，其中將所述第一設(shè)備(2)形成為連接到 可控制的泵(21)的注射器(22)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11的裝置，其中將所述第一設(shè)備(2)形成為以連續(xù) 過程將所述溶液(3)轉(zhuǎn)移到所述擴(kuò)散單元(4)的可控制的泵系統(tǒng)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11至13的一項(xiàng)或多項(xiàng)的裝置，其中所述擴(kuò)散單 元(4)在它的通道(41)的出口(43)具有尖頂或噴嘴(44)，通過其所述溶液(3) 從所述擴(kuò)散單元(4)的排放是可控制的。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11至14的一項(xiàng)或多項(xiàng)的裝置，其中將第二設(shè)備(6) 形成為由從液滴中拉拔所述絲線(7)的驅(qū)動設(shè)備驅(qū)動的巻帶或巻軸，所述液 滴由富含蛋白質(zhì)的相(5)在所述擴(kuò)散單元(4)的出口(43)形成。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的裝置，其中所述巻帶或巻軸(6)借助于所述蛋 白質(zhì)裝配所需的張力而拉拔蜘蛛絲線(7)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11至16的一項(xiàng)或多項(xiàng)的裝置，其中將所述擴(kuò)散 單元(4)形成為可交換的柱體。
18. 根據(jù)所述11至17的一項(xiàng)或多項(xiàng)的裝置，其中所述驅(qū)動設(shè)備具 有電動機(jī)和/或齒輪箱。
19. 根據(jù)權(quán)利要求11至18的一項(xiàng)或多項(xiàng)的裝置，其中所述擴(kuò)散單 元(4)的通道(41)具有用于通過所述溶液(3)的基本上恒定的直徑(d)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求11至19的一項(xiàng)或多項(xiàng)的裝置，其中所述擴(kuò)散單元(4)具有第三設(shè)備，通過所述第三設(shè)備可以從所述擴(kuò)散單元(4)除去所述蛋 白質(zhì)含量少的相。
21. 根據(jù)權(quán)利要求11至21的一項(xiàng)或多項(xiàng)的裝置，其中將所述第三設(shè)備形成為真空泵。
22. 通過根據(jù)權(quán)利要求.1-10的一項(xiàng)或多項(xiàng)的方法可以獲得的線。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22的線在下列各項(xiàng)的技術(shù)和工業(yè)中的應(yīng)用彈道 學(xué)應(yīng)用，諸如防彈裝備的開發(fā)，降落傘、特殊的繩和網(wǎng)、體育用品、紡織 品的制造，醫(yī)藥技術(shù)，和飛行器的輕型結(jié)構(gòu)元件。
全文摘要
本發(fā)明涉及從絲蛋白質(zhì)制備線的方法，包括適于實(shí)施所述方法的裝置。而且，本發(fā)明涉及由此獲得的線及其應(yīng)用。本發(fā)明使用擴(kuò)散單元，所述擴(kuò)散單元導(dǎo)致以高收率生產(chǎn)高品質(zhì)的絲線。
文檔編號D01D5/06GK101297068SQ200680039924
公開日2008年10月29日 申請日期2006年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月13日
發(fā)明者丹尼爾·許梅里希, 托馬斯·沙伊貝爾 申請人:慕尼黑技術(shù)大學(xué)