丝素蛋白水凝胶的剪切诱导成胶动力学与机制

doi:10.7503/cjcu20250327

高等学校化学学报 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (1): 20250327.doi: 10.7503/cjcu20250327

丝素蛋白水凝胶的剪切诱导成胶动力学与机制

陆加霖¹^,², 庄雅灵¹^,³, 王雅楠¹^,³, 常非²(), 丁建勋¹^,³(), 陈学思¹^,³

^1.中国科学院长春应用化学研究所高分子科学与技术全国重点实验室, 长春 130022
^2.吉林大学第二医院足踝外科, 长春 130041
^3.中国科学技术大学应用化学与工程学院, 合肥 230026

收稿日期:2025-11-01 出版日期:2026-01-10 发布日期:2025-12-10
通讯作者: 常非,丁建勋 E-mail:changfei@jlu.edu.cn;jxding@ciac.ac.cn
作者简介:第一联系人：共同第一作者.
基金资助:
国家重点研发计划项目(2022YFE0107700);国家自然科学基金(U21A2099);国家自然科学基金(82572761);吉林省科技发展计划项目(20240101002JJ)

Shear-induced Gelation Kinetics and Mechanisms of Silk Fibroin Hydrogels

LU Jialin¹^,², ZHUANG Yaling¹^,³, WANG Yanan¹^,³, CHANG Fei²(), DING Jianxun¹^,³(), CHEN Xuesi¹^,³

^1.State Key Laboratory of Polymer Science and Technology，Changchun Institute of Applied Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130022，China
^2.Department of Foot and Ankle Surgery，the Second Hospital of Jilin University，Changchun 130041，China
^3.School of Applied Chemistry and Engineering，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China

Received:2025-11-01 Online:2026-01-10 Published:2025-12-10
Contact: CHANG Fei, DING Jianxun E-mail:changfei@jlu.edu.cn;jxding@ciac.ac.cn
Supported by:
the National Key R&D Program of China(2022YFE0107700);the National Natural Science Foundation of China(U21A2099);the Science and Technology Development Program of Jilin Province, China(20240101002JJ)

摘要/Abstract

摘要：

通过剪切-加热法诱导丝素蛋白形成富含β-折叠结构的水凝胶, 系统考察了剪切时间、孵育温度及蛋白浓度对β-折叠结构组装动力学和凝胶力学性能的影响. 研究结果表明, 0.03 g/mL的丝素蛋白溶液在10000 r/min的转速下剪切10 min并于60 ℃下孵育, 可在30 min内完成凝胶化, 形成含63.51% β-折叠结构的物理交联网络, 其储能模量为25.70 kPa, 压缩强度为108.29 kPa. 进一步揭示了丝素蛋白分子链由无规卷曲向 β-折叠结构转变的自组装动力学特征及其力学性能演变规律. 本文研究结果为剪切诱导丝素蛋白水凝胶的制备工艺优化及其在组织工程中的应用提供了重要参考.

关键词: 丝素蛋白水凝胶, 剪切诱导, 二级结构转变, 成胶动力学, 生物医用材料

Abstract:

A shear-heating method was employed to induce the formation of silk fibroin hydrogels enrich in β-sheet structures. The effects of shear duration， incubation temperature， and protein concentration on the kinetics of β-sheet assembly and the mechanical properties of resulting hydrogels were systematically investigated. The results demonstrated that a 0.03 g/mL^{silk fibroin solution subjected to shear at 10000 r/min for 10 min and followed by incubation at 60 ℃ completed gelation within 30 min， yielding a physically cross-linked network containing 63.51% β-sheet structures， with a storage modulus of 25.70 kPa and a compressive strength of 108.29 kPa. Furthermore， the self-assembly kinetics of molecular chain transition from random coils to β-sheet structures and the corresponding evolution of mechanical properties were elucidated. This work provides optimized processing strategies and experimental evidence for the preparation of shear-induced silk fibroin hydrogels and supports their potential applications in tissue engineering.}

Key words: Silk fibroin hydrogel, Shear-inducing, Secondary structure transition, Gelation kinetics, Biomedical material

中图分类号:

O636.9

TrendMD:

陆加霖, 庄雅灵, 王雅楠, 常非, 丁建勋, 陈学思. 丝素蛋白水凝胶的剪切诱导成胶动力学与机制. 高等学校化学学报, 2026, 47(1): 20250327.

LU Jialin, ZHUANG Yaling, WANG Yanan, CHANG Fei, DING Jianxun, CHEN Xuesi. Shear-induced Gelation Kinetics and Mechanisms of Silk Fibroin Hydrogels. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(1): 20250327.

图/表 8

Fig.1 Strain⁃dependent rheological behavior of silk fibroin(SF) hydrogels（A） Strain sweep rheological measurements of SF hydrogels prepared with varying shear durations；（B） strain sweep of SF hydrogels formed from solutions with different concentrations.

Fig.2 Gelation kinetics of shear-induced SF solution（A） Time sweep rheological measurements of 0.03 g/mL SF solutions after 10 min of high-speed shear at 40， 60， and 80 ℃；（B， C） time sweep（B） and frequency sweep（C） of SF hydrogels formed at 40， 60 and 80 ℃；（D） time sweep of 0.03 g/mL SF solutions sheared for 5， 10， or 15 min at 60 ℃；（E， F） time sweep（E） and frequency sweep（F） of SF hydrogels prepared with shearing 5， 10， and 15 min；（G） time sweep of 0.01， 0.03， and 0.05 g/mL SF solutions sheared for 10 min at 60 ℃；（H， I） time sweep（H） and frequency sweep（I） of SF hydrogels formed from solutions with different concentrations.

Fig.3 Circular dichroism spectra analysis of SF secondary structure transitions（A） CD spectra of SF solution， post-shearing SF solution and post-shearing SF solutions incubated at 40， 60， or 80 ℃ for 2 h；（B） quantification of β-sheet， α-helix， and random coil content in corresponding groups；（C） quantification of β-sheet content of SF under different processing conditions；（D） CD spectra of pre-shearing SF solution， post-shearing SF solution and post-shearing SF solutions incubated at 60 ℃ for 15， 30， 45， 60， 75， 90， 105， or 120 min；（E） relative content of β-sheet， α-helix， and random coil structures for all samples， where the overlaid data points represent the variation in β-sheet content.

Fig.4 Macroscopic appearance of SF solution(A), post-shearing SF solution(B) and SF hydrogel(C)

Fig.5 Cryo⁃SEM images of SF solution(A) and hydrogel(B) with different magnifications

Fig.6 UV⁃Vis spectra of SF solution(a), post⁃shearing SF solution(b), and post⁃shearing SF solution incubated at 60 ℃ for 2 h(c)

Fig.7 FTIR spectra of SF solution(a) and hydrogel(b)

Fig.8 Compressive stress⁃strain curves of SF hydrogels(n=3)

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