专利名称：模板天然丝近晶状凝胶的制作方法
政府的支持本发明是在国家航空和宇宙航行局NASA(批号NAG8-1699)和国家科学基金会NSF(批号BES 9727401)的支持下完成的；因此政府对该发明享有某些权利。
背景技术：
广泛的说，有三种不同类型的液晶材料向列的、胆甾的和近晶状的。这些类型的区别在于分子排序不同。这些材料只有在固相和各向同性液相之间的有限的温度范围内呈现液晶相。在液晶相温度范围内，一种材料可能呈现向列的、胆甾的或近晶状相类型中的一种或多种。通常地，选择那些在其工作温度范围内只形成一种类型液晶相的材料。
液晶弹性体结合带有聚合网状物的弹性的液晶相的各种破碎的对称体。一个明显的效果是单晶体弹性体在经历液晶过渡时可以承受自然形状的变化。在熟悉的液晶的波动和弹性自由度之间的互相作用中，有很多敏感的效果，(例如，当在某些方向上变形时，完全单晶弹性体在理论上显示出零弹性模数。当然，这些引人注意的效果彻底地受到无序的影响，这使其成为研究淬火的无序的完美的对象。
生物高聚物网状物在整个自然界都可以找到。例如，细胞骨架由肌动蛋白网状物支撑，它是一种带有球状蛋白单体单元的半柔软聚合物。这些网状物被证明是理解溶液和交联网状物状态的半柔软聚合物的物理性质的理想的模型系统。
纤维状蛋白质被认为是一种在胞外环境中发挥重要结构功能的特殊蛋白质。在活的生物体中，这些蛋白质中的一些例如胶原蛋白在夹在其他胞外生物材料中的薄膜中被发现。当研究生物体外胞外纤维状蛋白的物理化学时，与三维整体系统相比，通过提供限制的环境可以采用二维薄膜或者界面环境来帮助蛋白质更有效地自组装。因此，研究纤维状蛋白在尺寸上受到限制的环境(例如薄膜或二维层状)和结构的产生以及通过自组装的长范围有序之间行为的协同相互作用是有益的。
通过界面可以稳定不同的构象，例如伸展链β-面构象，其可以使蛋白质的伸展和表面积最大化。如果蛋白质或模型多肽有疏水侧链并且可以容易的呈现为稳定的α-螺旋构象，在界面α-螺旋构象就是稳定的。Biridi，K.S.Journal of Colloid and Interface Science 1973，43，545；Cheesman，D.F.；Davies，J.T.Advan.Protein Chem.1954，9，439；Jacuemain，D.；Wolf，S.G.；Leveiller，F.；Lahav，M.；Leiserowitz，L.；Deutsch，M.；Kjaer，K.；Als-Nielsen，J.Journal of the American ChemicalSociety 1990，112，7724-7736；Loeb，G.I.Journal of Colloid and InterfaceScience 1968，26，236；Loeb，G.1.Journal of Colloid and Interface Science1969，31，572；Macritchie，F.Adv.Coll.Int.Sci.1986，25，341-382；Magdassi，S.；Garti，N.Surface Activity of Proteins；Magdassi，S.；Garti，N.，Ed.；Marcel DekkerNew York，1991；Vol.39，pp 289-300；Malcolm，B.R.Nature 1962，4195，901；Malcolm，B.R.Soc.Chem.Ind.London1965，19，102；Malcolm，B.R.Progress in Surface and Membrane Science1971，4，299；Murray，B.S.Coll.Surf.A 1997，125，73-83；Murray，B.S.；Nelson，P.V.Langmuir 1996，12，5973-5976；Weissbuch，I.；Berkovic，G.；Leiserowitz，L.；Lahav，M.Journal of the American Chemical Society 1990，112，5874-5875；Wustneck，R.；Kragel，J.；Miller，R.；Wilde，P.J.；Clark，D.C.Coll.Surf.A 1996，114，255-265.在稳定界面结构中的侧链的影响显示亲水性(hydropathicity)可以用作界面结构的决定性因素。更进一步贯彻该观念，如果残基序列导致可以显示出表面活性行为的特定结构，这些结构在界面应该是稳定的。
由于丝织品纤维有趣的特性，近来丝织品和它们的类似物已经成为应用生物材料中兴趣的焦点。它们序列的简单使其可以用作模型纤维状蛋白质。很多对丝织品以及其他纤维状蛋白质特性的研究检测了所有的材料特性例如机械特性、热稳定性、表面粗糙度或检测了分子中非常局部的化学详细情况。关于长范围排序的“螺旋面(helicoids)”文献不是很丰富。
以前我们公开了即使不是在大块中进行观察，带有B.mori丝织品丝蛋白的三重螺旋多聚甘氨酸II或聚脯氨酸II类型的构象在界面中是稳定的。Valluzzi，R.；Gido，S.P.Biopolymers 1997，42，705-717；Valluzzi，R.；Gido，S.；Zhang，W.；Muller，W.；Kaplan，D.Macromolecules 1996，29，8606-8614；Zhang，W.；Gido，S.P.；Muller，W.S.；Fossey，S.A.；Kaplan，D.L.Electron Microscopy Society of America，Proceedings 1993，1216。B.mori丝织品丝蛋白可结晶序列大约是(Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser)x和左手三重螺旋构象，它在空间上是合理的，将疏水丙氨酸和亲水的丝氨酸残基分开到界面的相反两侧。Valluzzi，R.；Gido，S.P.Biopolymers1997，42，705-717；Valluzzi，R.；Gido，S.；Zhang，W.；Muller，W.；Kaplan，D.Macromolecules 1996，29，8606-8614；Zhang，W.；Gido，S.P.；Muller，W.S.；Fossey，S.A.；Kaplan，D.L.Electron Microscopy Society ofAmerica，Proceedings 1993，1216。
由于试图进行液体-液体界面的详细表面测量所需要承担的困难，到目前很少有对这些界面中的蛋白质行为的研究。Murray和Nelson研究了新型的油-水槽设计，已经出版了空气-水和油-水界面的3-乳球蛋白和牛血清白蛋白(都是球状的)蛋白薄膜的比较行为结果，其显示出与在空气-水与油-水界面中得到的纤维状蛋白质的结构结果一致。Murray，B.S.Coll.Surf.A 1997，125，73-83；Murray，B.S.；Nelson，P.V.Langmuir 1996，12，5973-5976.他们发现与相应的空气-水界面的薄膜相比，在油-水界面中的薄膜更加伸展、更具扩张性和收缩性。这被认为是由于集簇性的减少。与空气相反，疏水基团在油中溶解度的增加被认为是油-水界面中薄膜稳定性更大的一个原因。Shchipunov研究了油-水界面中的磷脂，发现两亲的存在导致了水侧界面更多的油和油侧界面更多的水。Shchipunov，Y.A.Liquid/Liquid Interfaces andSelf-Organized Assemblies of Lecithin；Shchipunov，Y.A.，Ed.；CRC PressBoca Raton，Florida，1996，pp 295-315.两亲与形成界面的两种液体相容，在此过程中界面变厚。观察到的磷脂相容效果和观察到的蛋白质薄膜稳定性都显示油和水与蛋白质的侧链紧密的结合。因此，可以期望检测到侧链-侧链的相互作用。Jacuemain，D.；Wolf，S.G.；Leveiller，F.；Lahav，M.；Leiserowitz，L.；Deutsch，M.；Kjaer，K.；Als-Nielsen，J.Journalof the American Chemical Society 1990，112，7724-7736；Malcolm，B.R.Nature 1962，4195，901；Murray，B.S.Coll.Surf.A 1997，125，73-83；Murray，B.S.；Nelson，P.V.Langmuir 1996，12，5973-5976；Wustneck，R.；Kragel，J.；Miller，R.；Wilde，P.J.；Clark，D.C.Coll.Surf.A 1996，114，255-265；Shchipunov，Y.A.Liquid/Liquid Interfaces and Self-OrganizedAssemblies of Lecithin；Shchipunov，Y.A.，Ed.；CRC PressBoca Raton，Florida，1996，pp 295-315；Miller，1.R.Progress in Surface and MembraneScience 1971，4，299.
选择水-己烷界面作为丝蛋白液体-液体界面行为的初始探针。在没有丝蛋白存在的时候，该界面厚度估计大约为10。Carpenter，1.L.；Hehre，W.J.Journal of Physical Chemistry 1990，94，531-536；Michael，D.；Benjamin，I.Journal of Physical Chemistry 1995，99，1530-1536。当丝织品陈化时，它在水-己烷界面形成薄膜，收集该薄膜放入样品格中进行电子显微镜(TEM)观察。对丝织品丙氨酸残基而言，己烷是比水更好的溶剂，使其进入界面己烷一侧。对丝氨酸而言，水是更好的溶剂。
发明概述在一个实施方案中，本发明涉及一种通过溶剂模板工艺来制备纤维状蛋白质近晶状水凝胶的方法，包括如下步骤a.在装有不溶于水的溶剂的容器中加入纤维状蛋白质的水溶液；b.密封容器并且在室温下静置过夜；以及c.收集得到的纤维状蛋白质近晶状水凝胶，干燥。
在另一个实施方案中，本发明涉及上述溶剂模板工艺，其中所述溶剂是氯仿。
在另一个实施方案中，本发明涉及上述溶剂模板工艺，其中所述溶剂是异戊醇。
在另一个实施方案中，本发明涉及上述溶剂模板工艺，其中所述溶剂是己烷。
在另一个实施方案中，本发明涉及上述溶剂模板工艺，其中所述纤维状蛋白质选自丝、胶原蛋白、角蛋白、肌动蛋白、绒毛膜或seroins。
在另一个实施方案中，本发明涉及上述溶剂模板工艺，其中所述纤维状蛋白质是丝。
在另一个实施方案中，本发明涉及上述溶剂模板工艺，其中所述纤维状蛋白质溶液的重量份大于约4％。
在另一个实施方案中，本发明涉及上述溶剂模板工艺，其中所述纤维状蛋白质溶液的重量份大于约8％。
在另一个实施方案中，本发明涉及上述溶剂模板工艺，其中所述纤维状蛋白质溶液的重量份大于约4％，所述纤维状蛋白质是丝，所述溶剂是异戊醇。
在另一个实施方案中，本发明涉及上述溶剂模板工艺，其中所述纤维状蛋白质溶液的重量份大于约8％，所述纤维状蛋白质是丝，所述溶剂是异戊醇。
在另一个实施方案中，本发明涉及上述溶剂模板工艺，其中所述纤维状蛋白质溶液的重量份大于约4％，所述纤维状蛋白质是丝，所述溶剂是氯仿。
在另一个实施方案中，本发明涉及上述溶剂模板工艺，其中所述纤维状蛋白质溶液的重量份大于约8％，所述纤维状蛋白质是丝，所述溶剂是氯仿。
在另一个实施方案中，本发明涉及上述溶剂模板工艺，其中所述纤维状蛋白质溶液的重量份大于约4％，所述纤维状蛋白质是丝，所述溶剂是己烷。
在另一个实施方案中，本发明涉及上述溶剂模板工艺，其中所述纤维状蛋白质溶液的重量份大于约8％，所述纤维状蛋白质是丝，所述溶剂是己烷。
在另一个实施方案中，本发明涉及一种从外消旋混合物中获得主要的一种对映体的方法，包括如下步骤a.在装有不溶于水的溶剂的容器中加入纤维状蛋白质的水溶液；b.密封容器并且在室温下静置过夜；c.使外消旋混合物分散到溶液中的近晶状水凝胶中；d.从溶液中移走近晶状水凝胶；e.从近晶状水凝胶表面冲洗主要的一种对映体；以及f.从近晶状水凝胶内部萃取主要的一种对映体。
在另一个实施方案中，本发明涉及上述从外消旋混合物中获得主要的一种对映体的方法，其中所述纤维状蛋白质选自丝、胶原蛋白、角蛋白、肌动蛋白、绒毛膜或seroins。
在另一个实施方案中，本发明涉及上述从外消旋混合物中获得主要的一种对映体的方法，其中所述纤维状蛋白质是丝。
在另一个实施方案中，本发明涉及上述从外消旋混合物中获得主要的一种对映体的方法，其中所述纤维状蛋白质溶液的重量份大于约4％。
在另一个实施方案中，本发明涉及上述从外消旋混合物中获得主要的一种对映体的方法，其中所述纤维状蛋白质溶液的重量份大于约8％。
在另一个实施方案中，本发明涉及上述从外消旋混合物中获得主要的一种对映体的方法，其中所述纤维状蛋白质溶液的重量份大于约4％，所述纤维状蛋白质是丝。
在另一个实施方案中，本发明涉及上述从外消旋混合物中获得主要的一种对映体的方法，其中所述纤维状蛋白质溶液的重量份大于约8％，所述纤维状蛋白质是丝。
在另一个实施方案中，本发明涉及根据上述溶剂模板工艺制备的纤维状蛋白质近晶状水凝胶。
在另一个实施方案中，本发明涉及根据上述溶剂模板工艺制备的纤维状蛋白质近晶状水凝胶，其中所述纤维状蛋白质选自丝、胶原蛋白、角蛋白、肌动蛋白、绒毛膜或seroins。
在另一个实施方案中，本发明涉及根据上述溶剂模板工艺制备的纤维状蛋白质近晶状水凝胶，其中所述纤维状蛋白质是丝。
在另一个实施方案中，本发明涉及根据上述溶剂模板工艺制备的纤维状蛋白质近晶状水凝胶，其中所述纤维状蛋白质近晶状水凝胶的厚度大于或等于38nm。
附图简要说明
图1说明的是以氯仿为模板的丝表面(右)和断裂面。材料表面的以溶剂为模板的一侧到处都是波纹结构。
图2说明的是以氯仿为模板的薄膜。可以看到波的再取向和适当的梯形，这是由于收缩对于简单的皱纹所不期望的行为。
图3说明的是含有波纹的节瘤小结构的常规形式。
图4说明的是戊醇薄膜，它显示了一个像“非纺织织物”的表面。
图5说明的是表面结构，它是在显示与氯仿薄膜完全不同的薄层的角度看到的。
图6说明的是以戊醇为模板的样品，浸泡在二吡啶trisRuII氯化物六水合物(bipyridyl trisRuII chloride hexahydrate)中，给出高度放大图像和40nm分层特征。
图7说明的是在加入对比的氯化镝溶液中浸泡后的薄膜。这里的以氯仿为模板的薄膜的波纹层状结构明显。
图8显示的是平滑、规则的薄膜结构。
图9显示的是带有序列(Glu)5(Ser-Gly-Ala-Gly-Val-Gly-Arg-Gly-Asp-Gly-Ser-GlyVal-Gly-Leu-Gly-Ser-Gly-Asn-Gly)2(Glu)5肽的自我制作的粗糙的“带子”。1.光学显微镜显示一个10～15微米的贯通材料厚度的纹理。该材料是光学透明的。2.偏振光显微镜显示成形的双折射，这表示该形貌结构是由于材料定位的改变。3.扫描电子显微镜SEM图像显示该带子的形貌结构。扫描电子显微镜和光学显微镜观察到的周期性差异是由于光学图像观察到了顶面和底面的脊(导致周期的明显缩短)。
图10显示的是带有“图案中的图案”的(Glu)5(Ser-Gly-Ala-Gly-Val-Gly-Arg-Gly-Asp-Gly-Ser-GlyVal-Gly-Leu-Gly-Ser-Gly-Asn-Gly)2(Glu)自我制作的带子，或大范围的从纳米到微米规模的分等级的有序结构；1.纤维的自我限制的宽度和厚度(～分别为120微米，50微米)形成了等级中的最大规模；观察到贯穿带子的40微米周期的纹理；2.在40微米纹理结构的脊中观察到了3微米的亚结构；3.观察到了倾斜的片或层的亚微米结构(＜40nm，但确切尺寸低于扫描电子显微镜的分辨率)；透射电子显微镜研究显示间距为～5nm的层状。
图11显示的是(Glu)5(Ser-Gly-Ala-Gly-Val-Gly-Arg-Gly-Asp-Gly-Ser-GlyVal-Gly-Leu-Gly-Ser-Gly-Asn-Gly)2(Glu)5自我制作的带子的红外光谱。可以看到分子的典型红外光谱，在红外光的传送中它相对于必须减去的大背景信号而言只是很小的差异。原始数据(没有减去背景)显示了带子结构的不同区域(方位)的FTIR光谱的传送。两个方位显示了高背景下典型蛋白质的吸收光谱。然而，在某些方位，IR辐射没有到达监测器。
图12显示的是被具有扩大比例的带子修饰的红外光谱以显示光谱特征。不是光谱的吸收或发射，而是两条覆盖的正弦曲线图案(一个是50/cm周期，另外一个是25/cm周期。这种材料的效果看起来在1750-3500cm-或5.7-2.9微米范围内最强。
图13显示的是寡肽用Na-EDTA通过盐沉淀得到的螺旋形多晶。
图14显示的是有序“螺丝锥”多晶寡肽的盐沉淀物，作为螺旋顺序结构的层次。
图15显示的是有序多晶的反射和发射FTIR光谱。顶部红外光谱反射，原始数据。寡肽的像玻璃样的无序材料比背景更能反射。显示了来自同一肽的有序周期纳米层次材料，它清楚的反射了少得多的红外线。底部背景发射光谱，无序肽材料和肽的化学同一纳米层次有序材料。有序材料的光谱被极大的消弱了。
图16显示的是来自模板凝胶的有序粗糙表面和内部(a)以氯仿为模板的凝胶有波状表面结构，它覆盖了和水接触的表面；(b)以氯仿为模板的凝胶的断裂面显示了波状图案的“皮肤”，它形成了向下到内部的通道；内部有不同的结构，看起来是由波状的盘子制成的；(c)以戊基醇为模板的材料(和水接触)的模板表面；(d)c中边缘区域的更高放大倍数的图像，显示“皮肤”核心结构和贯通材料的图案结构；(e，f)在钌化合物水溶液和钌化合物萃取物中溶胀后的戊醇干燥的薄片；(e)波浪线显示的是材料内部有序结构的重新定位；(f)在更高放大倍数(20,000X)下观察到的38nm宽度线。
图17显示的是浸泡在三(2，2′-二吡啶基)二氯化钌(II)六水合物(″Rubipy″)水溶液中1天后的以戊醇为模板的凝胶。大多数Rubipy已经从溶液中迁移到丝凝胶中。开始时的迁移很快并且具有手性选择性(发生超过大约1小时)。另外的迁移在这以后大约1天内慢慢地发生并且很少具有手性选择性。在溶胀过程中，以氯仿为模板的凝胶没有显示出复杂的扩散行为，具有手性选择性。
图18显示的戊醇为模板的凝胶在Rubipy中溶胀1小时后的横截面。Rubipy迅速地渗透到凝胶的外面“皮肤”层(亮橙色)中，并且更加慢慢地进入到内部(微黄色区域)。
图19显示的是以氯仿为模板的凝胶的X-射线衍射图。沿着衍射圈(箭头)的黑色弧形指示方位。
图20显示的是纤维状蛋白的非球形性质。
图21显示的是液晶的大范围顺序。
图22显示的是纳米层晶体的阻挫。
图23显示的是纳米复合材料。
图24显示的是天然丝的带状结构。
图25显示的是工程蛋白质构成的肽的带状结构。
图26显示的是发夹结构怎样允许丝液体晶状体。
图27显示的是蜘蛛丝的改进。
图28显示的是两性蜘蛛丝图案。
图29显示的是蚕丝肽模型。
图30显示的是薄膜形态和螺旋锚状物。
图31显示的是模板-对-溶剂技术。
图32显示的是形成图案的肽薄膜。
图33显示的是以丝为模板的凝胶表面“皮肤”。
具体实施例方式
定义为了方便起见，在对本发明进行进一步说明以前，这里收集了说明书、实施例和所附的权利要求书中的某些术语。这些定义应该按照公开的其他部分进行理解，并且根据该领域的技术人员来进行理解。除非另有定义，这里使用的所有科技术语和该领域普通技术人员通常所理解的具有同样的含义。
这里使用的冠词“a”和“an”是指一个或者一个以上(也就是至少一个)的冠词语法对象。例如，“an element”是指一个或者一个以上的要素。
术语“包含”和“含有”是在包含、开放的意义上使用的，是指可以加入另外的要素。
术语“包括”是指“包括但不限于”。“包括”和“包括但不限于”可以交替地使用。
术语“近晶状”在技术领域是公认的，是指液晶的介晶态相，在该状态下分子在一系列不同层中紧密的排列，分子轴和层平面垂直。
术语“凝胶”在技术领域是公认的，是指分散相已经和分散媒介结合以产生半固体材料的胶体。
术语“水凝胶”在技术领域是公认的，是指粒子在外部或分散相并且水在内部或分散相中的凝胶。
术语“烷基”是指饱和脂肪基团的自由基，包括直链烷基基团、支链烷基基团、环烷基(脂环族)基团、烷基取代的环烷基基团和环烷基取代的烷基基团。在优选的实施方案中，直链或支链烷基的主链上有30个或者更少的碳原子(例如C1-C30的直链，C3-C30的支链)，更优选的是20个或更少。同样的，优选环烷基的环结构上有3-10个碳原子，更优选环结构上有5、6或7个碳原子。
除非对碳原子的数目另有说明，这里使用的“低级烷烃”是指上面定义的烷基，只是主链结构的碳原子数目是1到10，更优选是1到6个。同样的，“低级烯烃”和“低级炔烃”有类似的链长。优选的烷基是低级烷烃。在优选的实施方式中，这里指定的替代物是低级烷烃。
这里使用的术语“芳烷基”是指由芳基取代了的烷基(例如芳基或杂芳基)。
术语“烯烃基”和“炔烃基”是指在长度和取代方面与上述的烷烃类似的不饱和脂肪基，只是分别包含至少一个双键或三键。
这里使用的术语“芳基”包括5-，6-，7-元单环芳基，它可以包括零到四个杂环原子，例如苯，萘，蒽，芘，吡咯，呋喃，噻酚，咪唑，唑，噻唑，三唑，吡唑，吡叮，吡嗪，哒嗪和嘧啶等。在环结构上带有杂环原子的那些芳基也可以被称为“芳基杂环”或“杂芳”。杂环上的一个或多个位置可以被上述的取代基取代，例如卤素，叠氮化物，烷基，芳烷基，烯烃基，炔烃基，环烷基，羟基，烷氧基，氨基，硝基，巯基，亚氨基，酰氨基，磷酸酯，亚磷酸酯，羰基，羧基，甲硅烷基，醚，烷硫基(alkylthio)，磺酰基，磺酰氨基，酮，乙醛，酯，杂环，芳基或杂芳基部分，-CF3，-CN等。术语“芳基”还包括有两个或多个核环的多核环系统，其中两个或多个碳原子对两个相邻的环(该环是“融环”)是共用的，其中至少一个环是芳基，例如另外一个核环是环烷基、环烯基、环炔基、芳基和/或杂环。
术语“邻”、“间”和“对”分别是指1，2-，1，3-和1，4双取代的苯。例如1，2-二甲苯和邻-二甲苯二者的名字是同义的。
术语“杂环基”或“杂环基团”是指3-10元的环结构，更优选的是3-7元的环，它的环结构包括一到四个杂原子。杂环还可以是多环。杂环基团包括例如，氮杂环丁烷、吖庚因、噻酚、噻蒽、呋喃、吡喃、异苯并呋喃、色烯、夹氧杂蒽、苯基氧硫杂环己二烯、吡咯、咪唑、吡唑、异噻唑、异唑、吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、中氮茚、异吲哚、吲哚、吲唑、嘌呤、对苯二酚、异喹啉、喹啉、2，3-二氮杂萘、二氮杂萘、喹喔啉、喹唑啉、噌啉、蝶啶、咔唑、咔啉、菲啶、氮蒽、嘧啶、邻二氮杂菲、吩嗪、氯化吩吡嗪、吩噻嗪、呋咱、吩嗪、吡咯烷、oxolane、硫醇、唑、哌啶、哌嗪、吗啉、内酯、内酰胺例如氮杂环丁烷酮和吡咯烷酮、磺内酰胺、磺内酯等。杂环的一个或多个位点可以被上述取代基取代，例如卤素，烷基，芳烷基，烯烃基，炔烃基，环烷基，羟基，氨基，硝基，巯基，亚氨基，酰氨基，磷酸酯，亚磷酸酯，羰基，羧基，甲硅烷基，醚，烷硫基，磺酰基，酮，乙醛，酯，杂环，芳基或杂芳基部分，-CF3，-CN等。
术语“多核环基”或“多核环基团”是指两个或更多环(例如环烷基、环烯基、环炔基、芳基和/或杂环基)，相邻两个环共用两个或多个碳原子，例如该环是“融环”。通过不相邻原子结合起来的环称为“桥”环。多核环上的每个环都可以被上述取代基取代，例如卤素，烷基，芳烷基，烯烃基，炔烃基，环烷基，羟基，氨基，硝基，巯基，亚氨基，酰氨基，磷酸酯，亚磷酸酯，羰基，羧基，甲硅烷基，醚，烷硫基，磺酰基，酮，乙醛，酯，杂环，芳基或杂芳基部分，-CF3，-CN等。
这里使用的术语“碳环”是指环上每个原子都是碳原子的芳环或非芳环。
这里使用的术语“硝基”是指-NO2；术语“卤素”是指-F，-Cl，-Br或-I；术语“巯基”是指-SH；术语“羟基”是指-OH；术语“磺酰基”是指-SO2。
术语“胺”和“胺基”是本领域公认的，是指没有取代的和取代的氨基，例如可以由通式表示的部分 或 其中R9、R10和R′10各自单独的代表一个化合价规则允许的基团。
术语“酰氨基”是本领域公认的，是指由通式表示的部分 其中R9如上定义， R′11代表卤素、烷基、烯烃基或-(CH2)m-R8，其中m和R8如上定义。
术语“氨基”是公认的被胺基取代的羰基，包括可以由通式代表的部分 其中R9、R10如上定义。氨基化合物的优选实施方式不包括不稳定的酰亚氨。
术语“烷硫基”是指有一个附带的硫基的如上定义的烷基。在优选的实施方式中，“烷硫基”部分由下列之一代表-S-烷基，-S-烯基，-S-炔基，-S-(CH2)m-R8，其中m和R8如上定义。代表性的烷硫基包括甲硫基、乙硫基等。
术语“羰基”是公认的，包括可以由如下通式代表的部分 或 其中X是键或代表氧或硫，R11代表氢、烷基、烯烃基、-(CH2)m-R8或药学上可以接受的盐，R′11代表氢、烷基、烯烃基、-(CH2)m-R8，其中m和R8如上定义。当X是氧并且R11或R′11不是氢时，通式表示“酯”。当X是氧并且R11如上定义时，这个部分表示羧基基团，特别是当R11是氢时，通式表示“羧酸”。当X是氧并且R′11是氢时，通式表示“甲酸酯”。通常，当上述通式中的氧原子被硫原子取代时，通式表示“一硫羟羰基”基团。当X是硫并且R11或R′11不是氢时，通式表示“硫羟酯”。当X是硫并且R11是氢时，通式表示“硫羟羧酸”。当X是硫并且R′11是氢时，通式表示“硫羟甲酸酯”。另一方面，当X是键并且R11不是氢时，上述通式表示“酮”基。当X是键并且R11是氢时，上述通式表示“醛”基。
这里使用的术语“烷氧基”或“烷氧”是指附带由氧基团的如上定义的烷基。代表性的烷氧基包括甲氧基、乙氧基、丙氧基、叔丁氧基等。“醚”是指通过氧共价连接起来的两个碳氢化合物。因此，提供烷基醚基的烷基取代物是或类似烷氧基，例如可以由下列之一代表-O-烷基，-O-烯烃基，-O-炔烃基，-O-(CH2)m-R8，其中m和R8如上所述。
缩写Me、Et、Ph、Tf、Nf、Ts和Ms分别代表甲基、乙基、苯基、三氟代甲烷磺酰基、全氟代丁烷磺酰基(nonafluorobutanesulfonyl)、p-甲苯磺酰基和甲烷磺酰基。本领域常规技术中所使用的有机化合物的更全面的缩写目录在Journal of Organic Chemistry的每一卷的首期；该目录是一个典型地命名为缩写标准目录的表格。在此引入上述目录所包含的缩写和普通有机化学家所用的所有缩写作为参考。
可以对烯烃基和炔烃基进行类似的取代，产生例如胺基烯烃基、胺基炔烃基、氨基烯烃基、氨基炔烃基、亚氨基烯烃基、亚氨基炔烃基、硫烯烃基、硫炔烃基、被羰基取代的烯烃基或炔烃基。
这里使用的每个定义的表达，例如烷基、m，n等，当它在任何结构中出现一次以上时，它和在别处同样结构中的定义无关。
可以理解到“取代基”或“被取代的”包括暗示的限制，就是这些取代基必须和被取代的原子的化合价一致，这样的取代得到稳定的化合物，例如不能自然地经历不需要的转化，例如重新组合、环化、消去反应等。
这里使用的术语“被取代的”包括有机化合物中允许的所有取代。在广义方面，允许的取代包括有机化合物中的无环和成环的、支链的和非支链的、碳环形的和杂环形的、芳基的和非芳基的取代。例证性的取代基包括，例如上面所描述的那些。允许的取代基可以是一个或者更多、相同或不同的合适的有机化合物。为了本发明目的，杂原子例如氮可以有氢取代物和/或这里描述的任何符合杂原子化合价的有机化合物中的允许的取代基。本发明在任何方面不受有机化合物中允许的取代的任何限制。
这里使用的短语“保护基团”是指那些保护潜在反应性功能基团避免不期望的化学转化的临时性取代基。保护基团的例子包括羧酸酯、醇甲基硅烷醚、醛和酮分别形成的乙缩醛和缩酮。保护基团化学领域可以参考(Greene，T.W.；Wuts，P.G.M.Protective Groups in OrganicSynthesis，2nded.；WileyNew York，1991)。
本发明中的某些化合物可以存在特定的几何或立体异构形式。本发明包括所有的这些化合物，包括顺式和反式异构体，R-和S-对映体，非对映异构体，(D)-异构体和(L)-异构体，它们的外消旋混合物和其他混合物都在本发明范围之内。另外，不对称碳原子可以出现在取代基例如烷基中。本发明包括所有的这些异构体及其混合物。
例如，如果需要本发明中特定的对映体，可以通过不对称合成来制备，分离方法采用手性色谱方法，或者带有手性助剂的衍生法，对得到的非对映体混合物进行分离，助剂基团裂开提供期望的纯化对映体。选择地，当分子包括一个基本的官能团例如氨基或酸性官能团例如羧基时，由适当的旋光活性的酸或碱形成非对映体盐，然后通过本领域公知的分级结晶或色谱法，溶解形成的该非对映体，随后回收纯化了的对映体。
为了本发明目的，化学元素与Periodic Table of the Elements，CASversion，Handbook of Chemistry and Physics，67th Ed.，1986-87中的一致。
纤维状蛋白质近晶状水凝胶我们已经证实了螺旋面结构的控制—由模型纤维状蛋白质(丝)中的一批扭曲的分子(像手性液晶)产生的材料超级结构。采用的方法非常简单，可以容易的运用到其他地方来产生纳米结构的“设计师”生物材料，用来对从细胞生理和表面交互作用到表面纳米应用流体学进行研究。使用我们所知道的关于纤维状蛋白的知识(和合成聚合体和球状蛋白不同)对这些简单的方法进行仔细的设计，他们的成功强调了采用为纤维状蛋白定制的方法对这些分子进行控制的可能性(而不是使用会破坏其结构的聚合物技术，或者试图使它们的行为像球状蛋白)。表征的结果突出了可以区分这些蛋白性质的一些关键特征。
引人注目的是，已经开发出两种可以从再生的丝中产生高度结构的生物材料的方法。通过对丝溶解方法进行改进，可以获得丝浓度超过8wt％的的水溶液。早期的方法最多只能得到大约4-5wt％的纯净丝溶液，这取决于溶液的纯度和使用的生丝的新鲜程度。溶剂模板方法可以从丝水溶液中得到浓度＞大约4wt％的纳米结构选择性渗透材料。通常，当使用大约8wt％丝水溶液时，溶剂模板方法得到带有薄膜特征的更厚、大的固体(有很多层堆起来)，这和约4wt％的溶液相反，该溶液产生薄膜。在一前一后的两个发现中，可以产生由蛋白质层离散堆垛组成的蛋白质膜、薄膜和凝胶，它可以是大约38nm或更厚。这些层状结构的皱纹和穿孔，与手性堆垛互相作用(扭曲的趋向)结合，导致很多不同的很规则的微尺度有图案的表面结构。这些薄膜中的很多可以选择性地从溶液中吸收小分子和离子，并且很多还具有手性选择性。因此，它们可以用作治疗剂运送材料、手性分离方法中的成分、手性酶和催化剂基质以及手性模板。通过选择溶剂、蛋白质的起始浓度和环境因素例如温度和湿度、加入到蛋白质溶液的醚和/或醇、加入到蛋白质溶液的酸、或加入到蛋白质溶液中的二价离子盐，可以对这些薄膜的形态和微结构进行控制。对这些参数进行改变可以导致蛋白质材料的不同渗透特性、薄膜内可以观察到的不同的分子取向以及不同的表面形貌。形貌特征的长度规模和薄膜的蛋白质性质还可以应用到组织工程和细胞生物学，其中的微尺度和纳米规模形状对细胞生长、分化和肿瘤起源产生重大影响。目前收集到的数据显示该材料可能还是化学的形状，允许生物活性位点和分子准确地置于该材料表面以及贯通该材料。这个排列导致该材料作为治疗剂运送使用时的非常预期的和可重复的从材料扩散出去的速度，也显示出新型外科材料，可以用于与康复有关的寻址细胞方法中。该材料制作方法以很多纤维状蛋白质分子例如胶原蛋白、角蛋白、肌动蛋白、绒毛膜和seroins和其他丝状物共有的化学和物理特性为基础。很多这种特性也在非蛋白质生物高聚物例如纤维素、很多多聚糖、核酸上发现。因此，我们期望该方法可以应用在从除了丝以外的很多天然分子中制备仿制生物相容的纳米材料中。
以丝为基础的近晶状凝胶可以使用丝的浓缩液(通常对薄片来说大约是4wt％，对包含堆垛成几层的大块固体来说大约8wt％)来从水的有机、液体-液体界面产生水凝胶。例如，将丝溶液置于容器中，小心地将溶剂例如氯仿、己烷或戊醇置于丝溶液的上层中(在比水溶液重的氯仿的情况下位于下层)。将分层的液体覆盖以防止蒸发和与空气过多的竞争性交互作用和薄膜在界面形成。对于大块固体水凝胶而言，薄膜长成水样丝阶段。天然丝的溶剂模板方法导致纳米层状结构的形成，其中层厚和层与层之间的化学由丝分子(或其他的纤维状蛋白质分子)通过方法引导的折叠形式决定。可以通过高浓度的蛋白溶液得到纳米层状蛋白材料的结构，其中它的分子和溶液在模板之前可以已经具有了局部排序结构。
对丝而言，不能通过浓度低于4wt％的蛋白质来获得高度结构的模板固体材料，可以通过蛋白质浓度大于约5wt％的溶液来获得最有组织和定向的结构材料。此外，即使起始溶液含有大约5-8wt％的蛋白质，标准的薄膜溶铸法不产生有序固体。在模板过程中对溶剂的选择也是重要的。完全不溶于水的溶剂例如己烷不能使水凝胶模板化，但相反能形成粘性液晶薄膜，其在界面上的非常薄的区域定位。那些对丝(或使用的其他蛋白质)的一些侧链的亲和力没有水大的溶剂不能导致模板行为。一个例子是二氯乙烷，它对典型蛋白质的极性和非极性侧链的亲和力都比较低，显示出没有表面模板行为。那些稍微溶于水的溶剂，或那些和水产生低能界面的，模板行为很弱。例如在丝溶液中使用丙醇和丁醇，由于界面区域的厚度很大和弱化学梯度，导致松散的、微弱定位的凝胶。从这些凝胶干燥的材料定向很差、不是很有序，并且也没有显示出显著的渗透选择性特征和在模板薄膜中观察到的显微结构，虽然有时可以观察到这些特征的微弱版本。
丝的水溶液中盐的选择也很重要。从LiSCN转换到LiBr可以用来制备用作模板有序大块固体的高浓度丝的水溶液。
分子设计包括一个大规模的自我制作单元和较小的溶解/功能末端，它的结果是对整个分子热力学有利的状态与自我制作块的热力学有利的状态类似。由于终端的存在，可能有结构上的折中，但是由于正在制作的块在分子的重量和体积中占优势，这些折中被认为是很微小的。然而，溶解/功能末端块的情形是非常不同的。在自组装块之间的相互作用占优势的分子填充几何中，由于热力学阻挫，在含有链末端区域中的局部填充通常会高度紧张。如果末端块的理想热力学有利的几何形态与对自组装块(它包括了大部分的分子)有利的填充不相容，末端块将被迫进入离它们(局部)热力学理想很远的状态，并且将会被“阻挫”。通过设计多块在残基尺寸、体积、优选构造等方面不同的“迷你块”低聚体，我们可以设计阻挫的、近晶的有序固体，对于具有相同组成的大块材料或非阻挫的表面，它的密度和夹层区域之间的相互作用行为受到强烈的干扰。
使用近晶形成的自组装块、低聚体分子量和转换到固体的缔合液体，以及纳米区域设计的阻挫夹层区域(从末端块开始)，我们可以建立带有纳米流体通道的分子设计的材料。在多层近晶产生的结构中，这些通道基本上是末端富积的区域。通过设计对用来确定末端块和自组装块的单体性质的错配，可以设计这些通道的不同特性。正在讨论的区域含有末端链，因此比由自组装块组成的区域稍稍较少受到限制。链的末端突出到夹层区域，产生分子规模的刷子。被吸收到迷你块生产的材料中的分子优先迁移到夹层区域，原因在于1.存在空间或其可以容纳额外的分子(通过夹层区域的局部溶胀)。
2.通过增加分子、改变该区域的全部化学和优选的状态，可以减少热力学阻挫。
3.自组装块之间强烈的相互作用阻止了额外分子的结合。
4.设计的末端块的相互作用和特性提高了加入到夹层区域中的分子(溶质)的定位。
设计的相互作用可以包括酸性末端块来吸引和定位碱性溶质，末端块的氨基酸小体积来吸引溶质分子从而平衡夹层体积和密度，与末端块-溶质疏水/亲水相互作用相配。很重要的是，为末端块设计的“溶质定位”特性(又一关键特征)不需要整个熵(化学相互作用)，但是也能够包括以熵为基础的设计思想(体积、分子形状，弹性)。
被吸收到这些被设计的材料中的分子(从被设计的分子)将与浓密充满的末端“刷子”互相作用，该相互作用的强度和性质将决定溶质分子是否可以进入该材料并且扩散到该材料内部。如果该末端块是手性的，在该材料每很少埃的扩散中，手性相互作用就会发生在溶质和纳米刷之间。对于对映体通过刷子的扩散，即使是非特定的互相作用也期望具有手性选择性。刷子提供的用于相互作用的巨大的表面积提供高度选择性，大量的熵驱动的设计扩散的可能性，互相作用过程保证该分离不是特别的针对完全配对的溶质-末端块对。
通过丝样和胶原蛋白样设计的寡肽中手性分子的测试来观察分离。通过酸碱相互作用对测试分子在链末端区域进行定位。采用两种方法将测试分子吸收到该材料中从溶液共同自组装和带有测试分子溶液的组装了的迷你块寡肽纳米材料的溶胀。两种方法都导致手性分离，但是为了达到好的效果在寡肽纳米材料中需要近晶或更高水平的有序。因此，我们可以对使用这些材料进行的手性分离的一些关键设计特征进行说明1.健全的近晶层状构想。
2.用于将溶质定位到夹层区域的功能块(焓或熵)。
3.形成纳米规模手性核心的手性功能块或提供相互作用的大表面积的夹层刷。
4.纳米材料有充分的结构和密度来阻止非特异性扩散(近晶的或更高有序的，密度比得上均聚体或更大)。
5.对溶质和溶质的溶剂的化学相容性。理想地，纳米结构材料应该是溶胀而不是溶解于溶剂中来提高溶剂扩散。溶胀增加末端块体积应该限制在＜50％(例如，如果末端块占材料的20％，溶胀不能超过10％)。
可以通过如下方法对手性对映体进行分离，将外消旋盐扩散到材料的溶液中，然后除去材料，冲洗以除去材料表面的“坏”对映体，溶剂萃取“好”对映体。选择性地，该材料可以用来“擦掉”不需要的对映体、留下需要的对映体。对于另一可能的分离方法，将该材料制成只允许一种对映体通过的膜。
材料还可以设计(在分子水平)用于比手性分离要求较少的应用中。可以引入简单的非手性化学选择性用于选择性透过膜和分离珠。分子和材料都允许以尺寸为基础的选择性，通过层尺寸和亚层特征(过滤粒子＞2nm)的设计，通过在低聚体中使用错配单体的尺寸的层密度的设计，以产生分子尺寸的孔隙。
手性分离的材料在手性分离外的其他的应用包括手性催化作用、酶作用底物和其他结合的化学分离和反应过程。例如，由于对反应物扩散和再定位模式的手性区分限制，手性酶可以在手性环境中经历提高的手性选择。当与对称性环境比较时，反应物的不同活性状态和手性催化剂的不同的构象状态将会优先稳定在分子长度规模上具有手性物理特征的环境中。在手性纳米模式材料的表面，松弛结合的酶(例如通过单一共价键限制在膨胀的亲水纳米层)将经历具有均相催化特征的环境。酶被基本上是流体的“凝胶”包围，它的刺破固体表面的明显的对称没有定义为对固体表面的吸附)也不限制反应物通路的几何学。然而，这种酶不仅仅被约束到材料和可回收的。更进一步，围绕在酶周围的流体(溶解末端或块)将被浓密地充满和手性的，促进手性相互作用以稳定不同的酶构象(当和对称性环境比较时)。
按照类似的方法，可以将用于聚合的手性催化剂植入到手性纳米材料膜中。可以使用单体的手性运送和优选手性的稳定性(易于外消旋的单体)来指导催化作用和随后的规整性/纯度或产品聚合体或其他的反应产品。
样品使用溶剂模板技术从天然丝的高浓度溶液来制备一组样品。这些样品开始时形成水凝胶，它从溶剂界面生长到丝的水相。干燥中这些水凝胶失去它们体积的90％以上。将通过氯仿作为模板溶剂制备的干凝胶和通过戊醇制备的干凝胶进行对比。在X-射线(广角X射线散射)研究中，使用氯仿制备的凝胶是二轴定向的，然而戊醇凝胶有微弱的单轴定向。还观察了在广角X射线散射图案顶部、间隔有微弱点的100-110埃层的顺序。没有复制同步加速器小角度X射线散射中层间距，但是此时不知道低角度间距是假想的(检测器设计的典型后果)或者它的缺失是由于同步加速器波束中低曝光时间、样品定位和大有向域尺寸以及波束线一维检测器的结合。在FESEM中可以观察到同样尺寸的小特征(非常规则)。
此时不能得到每一薄膜的FTIR数据。在红外光传送和反射试验中，要求得到光谱(在原始信号和背景之间的不同的光谱)的大部分原始信号遗失。这种光谱的漏码发生在波长从2到8微米的区域。在ATR中，使用ZnSe作为ATR晶体看不到任何光谱或有意义的原始信号。由于ATR能看到任何实际上确实存在的材料，并且当使用Si细胞时可以从类似问题的薄膜中得到ATR，我们推测该薄膜在这个波长区域会强烈地偏振红外线照射。使用的ZnSe晶体是六边形、随便定向的材料，因此是光学各异向的—在附带的红外线照射下它引发了偏振状态。硅是立方的并且是光学各向同性的。除了红外线偏振外，样品在扩散反射IR中没有光谱(因此排除Bragg衍射)，显示即使碾碎成很细的粉末它们表现为完全的IR吸收的小黑色体。粉末颗粒的尺寸(几微米)可以用来为最小的要求在红外线中获得蛋白黑色体的薄膜厚度设立上限。这可能和薄膜中一些手性特征的一个完整循环相符合，但是部分特征也可能有同样的效果。这和相关的现象类似，当不同类材料的致密簇优先吸收红外光时，导致该簇材料中所有信号的降低，光谱信号趋向于较小密度材料。这种现象与差别光谱有关；我们在原始光谱中发现了异常。
由于根据手性液晶和聚合物相行为和显微结构，这些结构都是合理的，观察到的现象不限于蛋白质，但是只要它可以被设计形成适当的形状，就可以适合于任何分子类型。只要片状液晶相和顺序对所有片状形状分子来说是普通的，这些结构对所有聚合体来说是通用的，它们可以形成手性发夹和折叠结构。不同的分子类型可能呈现更好的材料特性，还允许加强相关手性相互作用的强度，甚至产生更加扭曲的材料(带有相似的形态)。
天然丝薄膜由波状、可能互相连接的层构成。图1-8显示的是不同定向断裂面的SEM图像，可以看到波状层的边缘。其他定向的形态看起来像～75nm特征的蜂房。在～75nm特征中非常规则的蜂房里可以辨认出一些～11nm小孔。这可能就是观察到的奇怪的红外线行为的原因。根据模板溶剂，这些材料在表面形态(以及定向)显示出明显的不同。在阴影层间距上也可能存在小的差异。较少有序的戊醇膜是一种很好的离子清除剂。以氯仿为模板的薄膜可以清除手性粒子。每种薄膜都吸收足够的稀土盐从而变得能够折射和有光泽。
所有的天然丝材料在水或弱酸中都会稍稍膨胀和软化，并且可以清除碱从而变硬。它们不能溶于醇。它们在290℃下热稳定，在该温度下它们不经过熔化迅速的降解。它们看起来非常坚韧和结实，并且起始原料和工艺相对便宜。
纤维状蛋白质肽为基础的近晶状凝胶已经设计、合成(作为复杂分子)和制造出仿生纳米模式材料。这些材料在中-远红外光中有异常的光学特征。这些材料可以被有效地制备，与无机物和盐结合产生纳米合成物(以改善特定的性质)，可以从大量合成的分子制作，并且有合理的机械和热性质。这些材料包括一个重复纳米级化学模式和分子定向，它持续到极小的长度规模(在开始研究中的一些例子中是毫米或厘米)。目前的焦点是结合小纳米级多层结构的纳米级材料模式，它可以通过分子设计和自组装来实现，但是也观察和制作了其他类型的几何纳米级模式。可以通过分子水平的设计对纳米级模式的所有几何特征(和许多化学特征)进行设计。
这些材料是以肽为基础的，已经对截然不同的若干类多肽和寡肽进行了定义，它们是松散的以天然纤维状蛋白质例如胶原蛋白、角蛋白、丝为基础。各种类型的单个寡肽结合模式氨基酸主题(motif)的简化版本，这些氨基酸主题可以在各种蛋白质类型(胶原蛋白、角蛋白、丝)找到并且带有设计的变化，包括可以研究非常特定的分子水平上对折叠、材料自组装和得到的材料特性的影响。在设计这些寡肽中强烈的兴趣是创造模式分子，它可以允许我们在设计简单全面的方法接近材料在微米和纳米级上的化学和物理模式时利用液晶行为。前面提到的该方法的一个关键特征包括设计分子材料，它隔离形成纳米级远程有序、热力学有利的状态模式，通常通过内置的导致热力学“阻挫”的分子化学复合物。正在研究的从这些分子形成材料的主要的方法是控制折叠或聚集的转换，它允许分子改变它的液晶自组装行为，从柔软的类皂感胶离子液晶转变为手性定向刚性杆热致变液晶行为。我们对从一种类型行为到其他的转换的控制能力使给我们能够控制该材料的宏观特征，例如域尺寸、沉淀物形状等。
当获得的原料是来源于生物高聚物，它们不是传统的“折叠蛋白质”，但是更加像合成的尼龙(在化学主链结构上蛋白质是非常奇特的尼龙)。它们不形成紧凑的天然小珠。相反，支持分子之间的相互作用，形成带有合理的热稳定性、韧性和强度的分子固体。机械特性的定性测试显示它们行为像“优良的塑料”，具有和尼龙类似的性质。X-射线波束线初步热分析显示被检测材料的结构大约保持到200℃。一种材料的光学透明和光性方位类型(折射图案)可以持续到170℃。根据不同的溶解性行为进行了不同的设计，也因此达到了对化学处理能力和化学阻力的可观的控制。
与很多结构生物高聚物和经过试验的高性能聚合物例如嵌段共聚物不同，我们寡肽的氨基酸序列和尺寸范围允许容易的生物合成和按比例增加。生物合成的初始试验已经导致了高产率，最感兴趣序列的按比例增加的方法正在积极探询中。该分子的中间体尺寸—作为“聚合体”太小但是作为“小分子”太大—在生物合成和处理方法中提供了有利条件。按照蛋白质标准这些分子很小，因此生物合成和按比例增加不会有不能克服的技术困难(将其和长期以来的进行生物合成高分子量的胶原蛋白和丝的尝试相比)。由于它们相对低的分子量(对蛋白质或聚合体而言)，在纯化和处理中这些分子的溶解也简化了。被看作向热液晶时它们是大分子，当去掉溶剂时它们的尺寸有助于稳定液晶结构，产生液晶有序固体。可以设计和利用分子的化学复杂性，允许每个个别序列采纳不同的化学独特“状态”(被诱导的)。这种诱导分子改变它的形状和化学形状的能力允许设计分子的不可逆溶解度变化，从可处理的(在温和条件下)的分子中制作稳定的材料。
研究中的很多分子显示出许多手性近晶(纳米层)液晶相，在受控制的条件下对其进行干燥可以产生纳米层材料。图9(丝样)显示的粗糙定向“带”就是一个例子。这些材料在不同的长度规模上还具有分层的图案特征，这可能是由于它们的某些光学行为。图10显示的是粗糙的带的这种分层级的有序或图案。已经研究了很多这种纳米层材料，各种胶原蛋白样和丝样材料的一个共同特征是当从分光计中获得材料FTTIR光谱时损失部分原始中部-IR光谱。对于很多这种材料来说该效果是依靠定向的。图11显示的是一组发送光谱。原始背景强度最高。没有反常IR光谱效果的定向中非常薄的带区域产生非常普通蛋白质或肽IR光谱。在某些定向中我们可以看到图11中描绘的光谱。
对于一种类型的寡肽材料(胶原蛋白样)来说，受到强烈影响(波长)的红外线区域与材料形态模式的周期互相联系。用来制作这些(丝样)带的不同操作条件，这里使用的一个例子，也会导致它们形态结构的不同的周期和受到影响的红外波长区域的差异。对于所有具有异常红外光行为的材料，还没有足够的关于产生这种效果的所有样品的数据来确定处理方法、形态结构和红外行为之间的相互关系。但是，可以相信这种相互关系是存在的。因为可以通过纳米层材料的非常特定的定向，或通过碾磨材料来减少长范围有序的存在和持续，也可以获得非常普通的蛋白质吸收光谱，这些物质分子水平的红外吸收行为是不明显的。然而，自组装材料中分子定向的长范围有序模式的存在正导致红外线照射错过分光计检测器和或许到其他另外的地方。因为所有的看得见的材料结构归于局部分子定向或结构中纳米级层定向的改变，周期性的物理特性应该也与材料折射率的周期性调整相符合。强烈受到影响区域的原始光谱具有强烈的正弦曲线特征，这个可以从图12中重新整理的数据看出来(不幸的是由于Y-轴的重新调整，强度不再具有物理意义)。在很多例子中，在光谱的小波数/长波长部分中，这些正弦图案被削弱或“变尖”。如果这些材料可以改变方向或在中-远红外光波长区域中引导其发射，它们在改变吸热设备、检测器或用于在线化学分析的分光计中的红外光信号的方向方面可能非常有用。
这种效果还可以在和有机盐共结晶的同样寡肽(胶原蛋白样和丝样类型)的层状多晶体中观察到(图13)。这些层状多晶体具有单独的车床形状的微晶，它们安排在规则扭曲的结构中(图14)。对于最高度组织的和规则扭曲的多晶体材料，这些例子中的红外线效果是最显著的。在反射红外光谱和投射红外光谱中都观察到了衰减(图15)。因此在红外光受影响的区域，在传送和反射方面有序材料都比ZnS背景要少。SAXS数据显示有一个强烈的纳米级层状周期(初始的和没有加工的，没有显示)。使WAXS和SAXS的热研究显示，当和纯寡肽材料比较时这些成盐多晶体材料的热稳定性稍低，大约160℃。在相当低的温度(＜100℃)发生非常局部相的变化。这些局部变化可以规因于纳米层中分子的扩展，导致了层距的改变。这些局部相的改变可能为控制这些特性提供有用的方法，但是还没有进行详细的研究。这些多晶体性质上坚硬(和其他多晶体比较)并且很难碾磨(坚韧)。这些多晶体的相对低的热稳定性可能是由于盐的选择—在这种情况是低熔点有机分子。其他盐已经产生了纳米合成物，它们可以保持寡肽导致的纳米层状结构，但是它们看起来比纯肽的热稳定性更好，虽然这些数据只是初步的。
这些寡肽材料可以制成坚韧的沉淀带、多晶体聚集物或薄膜(更差的机械特性，但是我们正在提出这个)。虽然丝样类型的材料看起来比胶原蛋白样材料影响更宽波段的光谱，所有的这些材料都控制红外光谱。胶原蛋白样材料最强烈地影响3-10微米的红外光区域，在同样的尺寸范围内有材料周期，这看起来与受到影响的光谱带互相关联。通过对这些分子的化学结构的序列模式进行选择，通过在处理中调整液晶状态下分子的加固行为，可以对这些材料特征进行控制，预计这些特征还可以对液晶形成过程和形成固体材料的干燥过程中采用的低压电场作出反应。对丝样类型的生物高聚物材料(实施例中的带和多晶体)来说，没有对材料不同结构的控制和它们与红外光谱行为的相关性进行系统的说明。但是，观察到了用来产生条带的依靠溶剂条件的差异，还观察到了红外光受影响的区域的差异。
实施例实施例1—丝的制备材料B.mori蚕茧由M Tukada，Institute of Sericulture，Tsukuba，Japan提供，氯仿、己烷和异戊醇从Aldrich and Fisher Scientific购买，没有进行进一步的纯化。三(2，2′-二吡啶)二氯化钌(II)六水合物(″Rubipy″)从Aldrich购买。
再生的B.mori蚕丝蛋白溶液的制备—蚕丝蛋白溶液可以采用下述两种方法中的一种来制备方法A—用于块状固体的制备—通过如下制备B.mori蚕丝蛋白溶液。在0.02M Na2CO3的水溶液中将蚕茧煮沸30分钟，然后用水彻底冲洗来提取胶—样丝胶蛋白。室温下将提取的蚕丝溶解在9.3M LiBr溶液中，得到20wt％的溶液。使用Slide-a-Lyzer透析盒(Pierce，MWCO 2000)对该溶液在水中透析48小时。通过测量干燥后残余物的重量来确定蚕丝水溶液最终的浓度为8.0wt％。整个过程中使用微孔过滤器纯化的水，17MΩ。最终溶液中不加入缓冲液、酸或盐方法B—用于薄膜的制备—采用沸水、十二烷基硫酸钠(SDS)和NaCO3中反复冲洗方法对Bombyx mori丝茧脱胶以除去丝胶，留下纯蚕丝蛋白。第一次冲洗在沸水中使用6.5％SDS和1.0％NaCO3。然后在沸水中用0.4％NaCO3冲洗，随后仅仅用沸水冲洗。其他的蚕茧不用SDS、只使用NaCO3和沸水脱胶，。采用氨基酸分析来评估这种方法制备的蚕丝蛋白中蛋白质成分，没有检测到丝胶。Valluzzi，R.；Gido，S.P.Biopolymers 1997，42，705-717；Valluzzi，R.；Gido，S.；Zhang，W.；Muller，W.；Kaplan，D.Macromolecules 1996，29，8606-8614.用蒸馏水对脱胶的蚕丝蛋白进行彻底冲洗，溶解到9.1M LiSCN的水溶液中。然后为了除去盐，将蚕丝蛋白和LiSCN溶液进行若干天的蒸馏水经常变化的透析。使用100μm注射器过滤器对经过透析的蚕丝蛋白进行过滤，除去杂质和蛋白质沉淀物。
实施例2—近晶状凝胶的制备界面凝胶的制备—将蚕丝肽溶液加入到盛有各溶剂的玻璃小瓶中，制备-水-氯仿，-己烷和-异戊醇界面。然后将小瓶加塞以防止蒸发，置于室温下过夜。收集得到的界面凝胶，室温下干燥过夜。
从Tufts Medical School的Protein Chemistry Core Facility获得除去盐分的、高性能液体色谱纯化的、冻干的胶原蛋白样肽。序列是(Glu)5(Gly-Val-Pro-Gly-Pro-Pro)6(Glu)5。在肽末端加入谷氨酸块以提高其在水中的溶解度，使得污染物盐不会使分析变得复杂。Rotwarf等人使用类似的肽设计策略来检测β-面形成的肽的溶液行为。Rotwarf，D.M.；Davenport，V.G.；Shi，P.-T.；Peng，J.-L.；Sheraga，H.A.Biopolymers1996，39，531-536.将胶原蛋白样肽溶解在18MΩ微孔过滤器过滤的水中，肽浓度为1mg/ml水中。不需要盐或酸或另外的试剂来帮助溶解。将小瓶密封过夜，然后用TEM金网(没有基物膜)浸入空气-水界面。
实施例3—表征表征—将经过钌化合物处理的凝胶切开获得横截面。图16显示的是Rubipy中的戊醇凝胶。该钌化合物(Rubipy)橙黄色，在蚕丝凝胶中比在周围溶液(浅黄橙色)中的浓度高(鲜红橙色)。将经过Rubipy处理1小时后的凝胶切开得到横截面(图17)。这些横截面允许我们将该吸收了很多Rubipy的凝胶的结构与Rubipy浓度较低的内部结构进行比较。图18显示的是一个横截面，可以发现在清晰的微黄色蚕丝核心周围有一个暗红橙色的富积Rubipy的外壳。理解并且设计通过模板方法形成的外壳核心形态对于控制凝胶的特征和功能是重要的。
SEM-通过LEO Gemini 982 Field Emission Gun SEM获得干燥凝胶的图像。焦距7mm，工作电压1到2kV。所有的凝胶图像都是在没有导电涂层的情况下制作的(图18)。
X射线衍射-使用带有GADDS多线区域检测器的Bruker D8Discover X射线衍射计进行广角X射线衍射。使用40kV、20mA和0.5mm瞄准仪。检测器与用于广角X射线衍射的样品之间的距离是60mm。CuKα。观察蚕丝I二级结构(蚕丝IIβ链和蚕丝III三股螺旋之间的非整数螺旋)的层状结构(6-12nm层)。在广角X射线衍射中氯仿凝胶的定向更高(图19)。
透射电子显微镜-采用JEOL 2000 FX-11透射电子显微镜确定蚕丝蛋白界面膜和肽的性质，在200kV的加速电压下操作。利用低温样品保存器将透射电子显微镜确定性质过程中的样品保持在低于-150℃。为了减少射束损害并且防止在显微镜高真空下含水晶体结构中水的损失，在低温下工作是必须的。使用电子衍射和电子透射明视场图像来评估薄片的结构。采用内在的金本位(gold standard)来测量格子间距。使用散焦衍射图像来测量形态图像的衍射图像和条带或微晶面的相对方位。前面已经描述了污染盐的检测和残留盐微晶的特征。Valluzzi，R.；Gido，S.P.Biopolymers 1997，42，705-717；Valluzzi，R.；Gido，S.；Zhang，W.；Muller，W.；Kaplan，D.Macromolecules 1996，29，8606-8614.在从水-己烷界面获得的结构中没有观察到盐的产物。
参考资料所有引述的所有专利、专利申请和出版物作为参考。
等同物通过常规试验，本领域的技术人员将会认识到或者能够确定很多的等同物来明确这里描述的本发明的实施例。权利要求书包括了这些等同物。
权利要求
1.一种制备纤维状蛋白质近晶状水凝胶的方法，包括a.在装有不溶于水的溶剂的容器中加入纤维状蛋白质的水溶液；b.密封容器并且在室温下进行陈化；以及c.收集得到的纤维状蛋白质近晶状水凝胶，干燥。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂是氯仿。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂是异戊醇。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂是己烷。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述纤维状蛋白质选自丝、胶原蛋白、角蛋白、肌动蛋白、绒毛膜或seroins。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述纤维状蛋白质是丝。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述纤维状蛋白质溶液的重量份大于约4％。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述纤维状蛋白质溶液的重量份大于约8％。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述纤维状蛋白质溶液的重量份大于约4％，所述纤维状蛋白质是丝，所述溶剂是异戊醇。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述纤维状蛋白质的重量份大于约8％，所述纤维状蛋白质是丝，所述溶剂是异戊醇。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述纤维状蛋白质溶液的重量份大于约4％，所述纤维状蛋白质是丝，所述溶剂是氯仿。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述纤维状蛋白质溶液的重量份大于或等于约8％，所述纤维状蛋白质是丝，所述溶剂是氯仿。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述纤维状蛋白质溶液的重量份大于约4％，所述纤维状蛋白质是丝，所述溶剂是己烷。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述纤维状蛋白质溶液的重量份大于约8％，所述纤维状蛋白质是丝，所述溶剂是己烷。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述近晶状水凝胶是包含若干排序纤维状蛋白质层的整体固体水凝胶。
16.一种从外消旋混合物中获得主要的一种对映体的方法，包括如下步骤a.在装有不溶于水的溶剂的容器中加入纤维状蛋白质的水溶液；b.密封容器并且在室温下进行陈化；c.将外消旋混合物中的对映体选择性地分散到溶液中的近晶状水凝胶中；d.从溶液中移走近晶状水凝胶；e.从近晶状水凝胶表面冲洗主要的一种对映体；以及f.从近晶状水凝胶内部萃取主要的一种对映体。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述纤维状蛋白质选自丝、胶原蛋白、角蛋白、肌动蛋白、绒毛膜或seroins。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述纤维状蛋白质是丝。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述纤维状蛋白质溶液的重量份大于约4％。
20.根据权利要求16所述的方法，其中所述纤维状蛋白质溶液的重量份大于或等于约8％。
21.根据权利要求16所述的方法，其中所述纤维状蛋白质溶液的重量份大于约4％，所述纤维状蛋白质是丝。
22.根据权利要求16所述的方法，其中所述纤维状蛋白质溶液的重量份大于或等于约8％，所述纤维状蛋白质是丝。
23.根据权利要求16所述的方法，其中所述近晶状水凝胶是包含若干排序纤维状蛋白质层的整体固体水凝胶。
24.根据权利要求1所述的方法制备的纤维状蛋白质近晶状水凝胶。
25.根据权利要求24所述的纤维状蛋白质近晶状水凝胶，其中所述蛋白质选自丝、胶原蛋白、角蛋白、肌动蛋白、绒毛膜或seroins。
26.根据权利要求24所述的纤维状蛋白质近晶状水凝胶，其中所述蛋白质是丝。
27.根据权利要求24所述的纤维状蛋白质近晶状水凝胶，其中所述的纤维状蛋白质近晶状水凝胶的厚度大于或等于约38nm。
28.根据权利要求25所述的纤维状蛋白质近晶状水凝胶，其中所述的纤维状蛋白质近晶状水凝胶的厚度大于或等于约38nm。
29.根据权利要求26所述的纤维状蛋白质近晶状水凝胶，其中所述的纤维状蛋白质近晶状水凝胶的厚度大于或等于约38nm。
30.根据权利要求24所述的纤维状蛋白质近晶状水凝胶，其中所述纤维状蛋白质水凝胶是包含若干排序纤维状蛋白质层的整体固体水凝胶。
全文摘要
本发明的一方面涉及一种通过溶剂模板方法来制备纤维状蛋白质近晶状水凝胶的方法，包括如下步骤在装有不溶于水的溶剂的容器中加入纤维状蛋白质的水溶液；密封容器并且在室温下进行陈化；以及收集得到的纤维状蛋白质近晶状水凝胶并且干燥。本发明的另一方面涉及一种从外消旋混合物中获得主要的一种对映体的方法，包括如下步骤在装有不溶于水的溶剂的容器中加入纤维状蛋白质的水溶液；密封容器并且在室温下进行陈化；使外消旋混合物中的对映体选择性地分散到溶液中的近晶状水凝胶中；从溶液中移走近晶状水凝胶；从近晶状水凝胶表面冲洗主要的一种对映体；以及从近晶状水凝胶内部萃取主要的一种对映体。本发明还涉及根据上述方法制备的近晶状水凝胶。
文档编号A61K38/17GK1732014SQ200380107979
公开日2006年2月8日 申请日期2003年10月31日 优先权日2002年11月1日
发明者R·瓦卢兹, H-J·金, J·帕克 申请人:塔夫茨大学理事会