蚕丝作为天然长丝纤维,已有数千年的应用历史。基于其优异的机械性能以及良好的生物相容性等特点,蚕丝已逐渐突破在传统纺织材料方面的应用,被广泛挖掘和开发用于制备生物医用材料、光电子器件、柔性电子材料以及生物传感器等。但是随着化工技术的不断发展,人工合成纤维可模仿天然纤维形貌和特性,合成纤维制品不断占据和扩大市场,对传统蚕丝及制品带来巨大的挑战。虽蚕丝综合性能评价较好,但与同为动物蛋白纤维的蜘蛛丝相比,其强度、韧性及功能仍然有很大的提升空间。为了赋予蚕丝更高附加值、解决蚕桑产业面临的大规模应用瓶颈,大量科研工作者致力于蚕丝力学性能改善或功能化改性的研究。主要方法包括转基因、后处理改性、人工抽丝以及养蚕添食。其中养蚕添食法是通过在家蚕饲料中添加不同的外源物质,如有机染料、纳米颗粒和有机物等,使外源物质进入家蚕体内,再经过家蚕正常吐丝获得改性蚕丝。该方法已被证实可提高蚕丝力学性能,也可获得荧光或抗紫外线等功能化蚕丝。从实用性和规模化生产的角度出发,添食改性蚕丝操作简单、能耗较低、便于推广,是一种绿色可持续的原位改性蚕丝的方法。本研究以五龄家蚕为添食对象,采用多种外源物质对家蚕进行添食以获得强韧化蚕丝。系统地从生物学角度解析外源物质对家蚕的生物学效应及分子机制、从材料学角度分析外源物质对蚕丝结构和性能影响及内在关系。主要获得以下研究结果:1.添食金属纳米颗粒对家蚕生物学特征的影响为了探究添食物质对家蚕的生物学效应,本研究选用两种常用纳米材料—纳米铜和纳米银,分别配制成悬浮液后均匀喷洒在桑叶表面,使五龄第三天家蚕进食。家蚕各组织、血淋巴及蚕丝中添食物质对应元素含量的变化结果证实了添食物质成功随桑叶一起进入家蚕体内,不均匀分布在家蚕各个组织。较少比例的纳米颗粒被家蚕组织尤其是丝腺吸收,较大比例的添食物质经中肠被排出体外。通过记录家蚕生长体重变化、死亡情况,对比添食后家蚕组织病理切片以及蚕茧品质等指标评价纳米颗粒对家蚕的毒性。研究结果表明,添食纳米铜对家蚕的生长健康、全茧量和茧层量有显著负面影响;添食纳米银对家蚕生长健康有负面影响,但对蚕茧质量无显著影响;两种纳米颗粒添食后蚕茧的茧层率无显著变化;组织病理切片观察表明添食纳米颗粒后家蚕中肠和马氏管有较明显的损伤。通过表征家蚕组织各种生化指标包括总抗氧化能力(T-AOC)、超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性、还原型谷胱甘肽(GSH)和丙二醛(MDA),分析纳米颗粒对家蚕毒性机理。实验结果表明添食纳米铜或添食纳米银后家蚕各组织和血淋巴的T-AOC水平、SOD活性、CAT活性以及GSH含量均有不同程度的降低,MDA含量有不同程度的升高。其中具有显著变化的组织是添食纳米颗粒后的家蚕脂肪体、中肠和血淋巴,且纳米铜对各指标的影响程度大于纳米银。揭示了纳米铜或纳米银与家蚕组织接触后打破了家蚕组织细胞的氧化与抗氧化系统的平衡,机体的抗氧化防御系统受到纳米颗粒的破坏,较大程度抑制了组织尤其是脂肪体、中肠和血淋巴的抗氧化酶活性,使大量的活性氧在组织中积累,引发脂质过氧化,最终导致家蚕组织严重受损,表现出生长发育不良或死亡现象。后部丝腺是合成和分泌丝素蛋白的主要场所,本研究对后部丝腺进行转录组测序并以空白样本为对照,在添食纳米铜样本中鉴定到102个差异基因,其中77个基因上调表达,25个基因下调表达;在添食纳米银的样本中,鉴定到114个差异基因,其中59个基因上调表达,55个基因下调表达。通过对显著差异表达的基因进行分析,研究结果表明添食纳米铜可诱导角蛋白、螺旋蛋白以及杀菌肽前驱体等相关基因上调表达;添食纳米银可诱导热激蛋白、絮凝蛋白和硫基转移酶等相关基因上调表达。除此之外,我们鉴定到两种纳米颗粒分别添食后家蚕后部丝腺共有15个的表达差异基因,主要包括信号转导类基因、与蛋白合成相关基因以及神经肽受体。这些基因的表达变化对于丝蛋白合成和分泌以及对外源物质的刺激均有一定的作用。GO和KEGG通路富集结果表明添食纳米铜或纳米银后,家蚕后部丝腺中代谢通路和内吞作用相关基因有显著变化,暗示了纳米颗粒影响家蚕代谢系统,与细胞之间的内吞作用可能是其进入丝腺组织的途径之一。2.添食金属纳米颗粒对丝腺蛋白及蚕丝的影响为了解析纳米铜、纳米银对蚕丝结构与性能影响的机理,采用SDS-PAGE,荧光光谱和圆二色谱仪研究了添食纳米颗粒后对家蚕丝腺蛋白构象转变的影响,同时采用纳米颗粒体外诱导丝腺蛋白溶液,去除生物体本身的影响,分析纳米颗粒与蛋白的作用情况。研究结果表明,添食纳米铜、纳米银后家蚕中部丝腺43 kDa的蛋白表达量较对照组增加,后部丝腺60 kDa的蛋白表达量较对照组降低。荧光光谱和圆二色谱分析表明添食纳米颗粒能使丝蛋白中的酪氨酸和丝氨酸等发光基团的微环境发生变化,有荧光淬灭的现象存在,但对家蚕丝腺蛋白的β-折叠构象转变有促进作用。体外诱导实验研究结果表明纳米铜和纳米银与丝腺蛋白结合后对β-折叠构象转变稍有抑制效果。体内外实验结果的不一致说明了家蚕体内微环境、浓度以及生物体本身的影响等因素在蛋白构象转变的过程中具有不可忽视的作用。进一步对蚕丝的基本形貌、氨基酸含量、蛋白二级结构以及热、力学性能进行表征,结果表明纳米颗粒添食对蚕丝微观形貌结构和蛋白基本二级结构无显著影响,但对丝蛋白结晶结构的转变有微弱的抑制作用,且不同程度的影响了氨基酸含量,改性蚕丝中小侧基氨基酸比率增加。另外蚕丝热、力学性能均得到很好的改善,添食纳米铜蚕丝断裂强度和断裂韧性分别提高了31%和26%,添食纳米银蚕丝断裂强度和断裂韧性分别提高了19%和13%。3.添食金属离子、氨基酸类有机物对蚕丝结晶结构和力学性能的影响及机制分析为了寻找更适合家蚕生长和蚕丝性能改性的添食物质,实验选用不同类型材料包括金属离子(铜离子和钙离子)和氨基酸类有机物(丝氨酸、酪氨酸、丝胶氨基酸和丝素氨基酸)对五龄家蚕进行添食,同时选用纳米材料(纳米铜和纳米碳酸钙)作为对照,对蚕丝中金属离子的含量、蚕丝结晶结构以及热、力学性能进行系统对比分析。通过蚕丝中金属元素含量的变化再一次证实了外源物质能通过家蚕添食的方法到达蚕丝中;发现添食除含铜元素以外的外源物质可降低蚕丝中铜元素的含量;添食氨基酸类有机物使蚕丝中钾元素的含量提高10倍左右。蚕丝FTIR和XRD测试结果均表明家蚕添食酪氨酸和丝素氨基酸可以诱导蚕丝蛋白中α-螺旋和无规卷曲向β-折叠结构的转变,得到蚕丝β-折叠结构含量从对照组的45%分别增加到了58%和63%,且蚕丝的结晶度由36%变成了40%和49%。而添食纳米材料、金属离子、丝氨酸和丝胶氨基酸却表现出对蚕丝结晶结构转变具有抑制作用。热、力学性能测试结果表明添食纳米铜、丝氨酸和丝胶氨基酸可提高蚕丝热稳定性;添食纳米铜、丝氨酸、酪氨酸以及丝素氨基酸可显著提高蚕丝强度,其中酪氨酸添食改性提高最多,是空白蚕丝的1.4倍;添食丝胶氨基酸后蚕丝杨氏模量增加了27%,而金属离子添食后蚕丝的杨氏模量降低了20%左右;添食酪氨酸和丝素氨基酸可显著提高蚕丝断裂韧性,分别为空白蚕丝的1.4倍和1.5倍。添食三种不同类型物质制备强韧化蚕丝的机制在于:纳米颗粒增强蚕丝主要归功于材料本身的增强作用;氨基酸类物质添食增强蚕丝主要是改变蚕丝中离子环境,增加蚕丝结晶度,从而提高蚕丝强度和韧性;而金属离子亦可改变蚕丝中离子平衡,但对蚕丝的结晶结构有抑制作用,从而降低了蚕丝的刚度。4.利用添食法制备强韧化荧光蚕丝及其应用探索结合纳米材料增强机制以及荧光蚕丝研究现状和市场需求,进一步选用具有荧光效应纳米材料—量子点(石墨烯量子点和CdSe/ZnS量子点)制备出荧光性能稳定、生物相容性好的强韧化荧光蚕丝,同时以罗丹明B染料的添食作为阳性对照。研究结果表明石墨烯量子点和CdSe/ZnS量子点添食后蚕丝中荧光物质在丝素中的比例高达80%和89%,明显高于罗丹明B在丝素中的比例(70%)。说明量子点比罗丹明染料更容易进入家蚕后部丝腺并分布在丝素中。荧光蚕丝经过30天的清水浸泡后,量子点添食后蚕丝的荧光强度为未浸泡前的70%-80%,而罗丹明染料的荧光强度则仅仅是原来的23%。表明添食量子点的荧光蚕丝更具有较好的荧光稳定性。力学性能结果表明石墨烯量子点和CdSe/ZnS量子点改性的蚕丝的断裂强度、杨氏模量、延伸率以及断裂韧性均有不同程度的增加,其中断裂强度分别为空白蚕丝的1.27倍和1.40倍,断裂韧性分别为空白蚕丝的1.48倍和1.97倍;储能模量和损耗模量也有较大提升。此外,通过细胞毒性、流式细胞周期测试方法证实了添食量子点改性的蚕丝具有良好的生物相容性。该类强韧化、性能稳定的荧光蚕丝可用于制备荧光服装、防伪材料、生物探针材料以及光电子器件等。综上所述,本论文从生物学、材料学及化学等多角度系统研究了添食法改性蚕丝中添食物质与家蚕、蚕茧、蚕丝之间的关系。从宏观表象到深入机理分析,研究结果为添食法改性蚕丝的技术路径选择及进一步完善和可能的大规模推广应用提供理论依据。