絲素蛋白納米纖維靜電紡制備的研究

唐培朵，戴俊，韋凌志，黃華林

（1.廣西科學(xué)院，廣西南寧 530003；2.廣西科學(xué)院應(yīng)用物理研究所，廣西南寧 530003）

絲素蛋白（SF）是一種天然的高純度蛋白質(zhì)，可由蠶絲脫膠而成，主要成分包括丙氨酸、乙氨酸、絲氨酸等20余種氨基酸，因此可通過降解最終變?yōu)榘被峄蚬央?，直接被機(jī)體吸收。SF具備非常好的透氧性和生物降解性，可提升其實(shí)際應(yīng)用的效果[1-2]。靜電紡絲技術(shù)發(fā)展年代久遠(yuǎn)，但將靜電紡絲應(yīng)用于SF納米纖維制備卻相對(duì)較短[3]。SF存在Silk Ⅰ和Silk Ⅱ兩種不同的構(gòu)象，一般認(rèn)為Silk Ⅰ構(gòu)象包括無規(guī)則線團(tuán)和α-螺旋，而Silk Ⅱ構(gòu)象主要由β折疊構(gòu)象的SF分子鏈組成，即為反平行β-折疊，這種結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性和機(jī)械性能，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。也正是由于天然蠶絲中的SF具有反平行β-折疊結(jié)構(gòu)，難以在一般溶劑中溶解，因此用SF進(jìn)行靜電紡絲，需對(duì)SF進(jìn)行預(yù)加工（即對(duì)蠶絲蛋白進(jìn)行脫膠、鹽溶解和透析），同時(shí)在溶劑的選擇方面亦有較多的限制。目前，靜電紡絲SF納米纖維采用的溶劑可分為有機(jī)溶劑和水。其主要的制備過程如圖1所示。

圖1 絲素蛋白（SF）靜電紡絲流程圖

1 有機(jī)溶劑

在SF的靜電紡絲制備中，研究較多的是將SF溶于特定有機(jī)溶劑后進(jìn)行靜電紡絲，就目前而言，應(yīng)用較廣泛的主要有六氟異丙醇（HFIP）、甲酸（FA）和三氟乙酸（TFA）。選擇不同的有機(jī)溶劑對(duì)靜電紡絲制備的SF纖維的直徑大小和直徑分布有很大的影響。

1.1 六氟異丙醇（HFIP）

徐梅等[4]采用碳酸鈉溶液對(duì)蓖麻蠶絲纖維進(jìn)行脫膠，然后將脫膠后的蓖麻蠶絲素溶于硫氰酸鋰溶液中，透析，干燥成膜。再把SF膜溶解于HFIP中配制成一定比例的紡絲液，利用靜電紡絲法，制成再生蓖麻蠶SF納米纖維膜。實(shí)驗(yàn)可知，制備的納米纖維膜中纖維表面更加光滑。左保齊等[5]將質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%桑蠶絲素蛋白（SF）和20%柞蠶絲素蛋白（TSF）溶解于HFIP溶液中，保持恒溫（25℃）振蕩，進(jìn)行水浴溶解，制得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的紡絲液。通過調(diào)節(jié)電壓和接收距離，制得了直徑3～4 μm的SF/TSF復(fù)合纖維無紡網(wǎng)。王敏超等[6]將SF與聚己內(nèi)酯（PCL）按25∶75的質(zhì)量比為溶于HFIP中，然后配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的溶液，攪拌12 h，得到透明紡絲液。在電壓l5 kV，接收距離12 cm，紡絲流率0.01 mL/min的參數(shù)條件下，制備出直徑400～600 nm的無規(guī)則排列的SF/PCL納米纖維。結(jié)果表明：滾筒轉(zhuǎn)速越大，納米纖維排列有序程度越高；納米纖維膜力學(xué)性能表現(xiàn)出各向異性，同時(shí)具有明顯的非線性和非彈性。尹云雷等[7]以HFIP為溶劑，采用靜電紡絲制備SF-PCL復(fù)合納米纖維膜。結(jié)果表明：在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，SF與PCL質(zhì)量比3∶2，紡絲流速為1.2 mL/h時(shí)，SF-PCL復(fù)合納米纖維膜具有較好的品質(zhì)。邊瑞琦等[8]將SF溶于HFIP中，配成98.4 g/L的溶液，并加入一定量的Genipin對(duì)SF進(jìn)行交聯(lián)改性，交聯(lián)時(shí)間為10 h，交聯(lián)溫度為40 ℃，攪拌配制成混合紡絲液，然后通過靜電紡絲制備交聯(lián)的SF納米纖維膜。結(jié)果表明，Genipin交聯(lián)對(duì)結(jié)晶結(jié)構(gòu)影響不大，但熱性能提高；Genipin質(zhì)量比增加，交聯(lián)度增加，納米纖維平均直徑增大，纖維膜的力學(xué)性能逐漸增強(qiáng)，質(zhì)量比10%時(shí)，拉伸強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變分別為19.6 MPa和5.9%；隨著試驗(yàn)溫度從40 ℃升高到200 ℃，SF納米纖維膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變先增大然后減小，當(dāng)溫度為80 ℃時(shí)，其力學(xué)性能較好，拉伸強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變分別為41.6 MPa和8.6%。

1.2 甲酸（FA）

由于HFIP的價(jià)格較為昂貴，而FA作為SF靜電紡絲的溶劑不僅價(jià)格便宜并能滿足實(shí)際的需要，還具有良好的揮發(fā)性能，有利于納米纖維的形成，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

張幼珠等[9]以88%（wt）FA為溶劑，對(duì)SF冷凍膜、室溫干燥膜等進(jìn)行了深入的研究，并對(duì)形貌結(jié)構(gòu)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)和構(gòu)象進(jìn)行了測定分析。結(jié)果表明：兩種SF膜均能溶于FA，形成濃度為11%～13%（wt）透明穩(wěn)定的紡絲液，可以紡得連續(xù)的納米級(jí)纖維，形成網(wǎng)狀無紡布纖維膜，纖維直徑為200 nm左右。黃建等[10]以無水FA為溶劑，在室溫下，配制了l8%～24%不同紡絲液，在0.9 mm噴絲口直徑下，靜電紡絲制備了纖維膜，結(jié)果表明，紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和電壓會(huì)影響到靜電紡絲的性能。經(jīng)過乙醇處理后，纖維膜的結(jié)構(gòu)由無規(guī)卷曲向β-折疊構(gòu)象轉(zhuǎn)變，保證纖維膜良好的透濕性，實(shí)現(xiàn)377 g/m2·h。陳梅等[11]以98% FA為溶劑，采用靜電紡絲制備SF與透明質(zhì)酸（HA）共混納米纖維，結(jié)果表明：SF與低分子量HA共混納米纖維直徑在100 nm左右，纖維表面光滑，呈圓柱狀；高分子量HA的加入使得纖維形態(tài)變差，并出現(xiàn)嚴(yán)重的粘連現(xiàn)象；透明質(zhì)酸的加入未對(duì)絲素分子構(gòu)象和結(jié)晶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯影響。

1.3 三氟乙酸（TFA）

周偉濤等[12]在室溫下將SF膜溶解在TFA中，充分?jǐn)嚢璧玫?6%紡絲液。在電壓為15 kV，紡絲速度0.3 mL/h，噴絲口徑為0.7 mm，接收距離為100 mm的參數(shù)下，進(jìn)行靜電紡絲。得到純SF纖維連續(xù)，橫截面近似圓形，表面光滑，平均纖維直徑為353.1 nm，且纖維間很少有黏連，分布相對(duì)集中。馬瑞麗等[13]根據(jù)前人的研究情況，把SF膜溶解于TFA中配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%的紡絲液，進(jìn)行靜電紡絲，制備了SF納米纖維膜。對(duì)紡好的纖維膜進(jìn)行了乙醇后處理，從而促進(jìn)β折疊轉(zhuǎn)變，分析了納米纖維形貌特征、力學(xué)性能。結(jié)果表明，經(jīng)過乙醇處理后纖維直徑會(huì)增大，分子結(jié)構(gòu)以β折疊為主，使SF卷曲的肽鏈伸展，有效提升結(jié)晶度，相應(yīng)的增加斷裂強(qiáng)度。最后分析可知，乙醇還具有脫水作用，增加相應(yīng)的初始模量，從根本上改善了力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性。

2 紡絲溶劑——水

相比于HFIP和FA等有機(jī)溶劑，以水作為溶劑制備SF納米纖維更符合生物醫(yī)用材料的加工，更有利于細(xì)胞的生長、黏附和增殖，沒有有機(jī)殘留，并防止了環(huán)境污染，是一種綠色電紡技術(shù)。然而SF水溶液黏度較低，水分揮發(fā)較難，因此難以進(jìn)行靜電紡絲。為能成功從SF水溶液中制得SF納米纖維，學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究。

家蠶吐絲過程中，是以水為介質(zhì)，且為濃度高的紡絲液，并通過細(xì)小的紡絲管，進(jìn)入空氣后固化成絲，是一個(gè)常溫常壓下以水為溶劑制得了高性能纖維的過程。王洪等[14]通過觀察蠶腺體內(nèi)和SF水溶液的流動(dòng)狀態(tài)和各向異性現(xiàn)象，通過SEM和拉曼光譜分析了SF水溶液在蠶腺體內(nèi)的形態(tài)和構(gòu)象變化，作者認(rèn)為SF水溶液在蠶腺體內(nèi)存在一個(gè)逐步熟成的過程。隨著其在腺體內(nèi)的前移，絲素球狀物逐漸溶合，絲素分子的α構(gòu)象逐漸減少，沿移動(dòng)方向取向而呈有序態(tài)，蠶中部絲腺前段內(nèi)的SF分子在擠出前已經(jīng)形成一定量的β折疊構(gòu)象，因此蠶吐絲時(shí)在剪切力和拉伸力的作用下很快可使部分絲素分子形成β折疊構(gòu)象，最終成為黏度非常大的各向異性的凝膠體進(jìn)而形成絲纖維，而SF水溶液是黏度非常低的各向同性溶液。這些差異表明，SF水溶液在蠶腺體內(nèi)的熟成過程是蠶能夠吐出優(yōu)良蠶絲的關(guān)鍵步驟，要想制備出高性能的纖維，在“仿生紡絲”之前，首先要“仿生制備紡絲液”。朱晶心等[15]進(jìn)一步在仿生制備的SF水溶液的靜電紡絲進(jìn)行了一系列研究，分別從pH值、金屬離子及工藝參數(shù)等角度考察對(duì)SF靜電紡絲的影響。模仿蠶在空氣中吐絲時(shí)的溶液濃度高達(dá)30%，后部絲腺的pH值為6.9的條件下，在低溫?zé)o剪切的溫和條件下制備出再SF水溶液，利用靜電紡絲技術(shù)紡出的SF纖維直徑在350～4200 nm，平均直徑1700 nm。

3 結(jié)語

在納米纖維材料制備工藝方法中，靜電紡絲制備方法比較簡單，能夠創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)利潤。近年來，通過靜電紡絲將SF加工成三維納米纖維支架材料成為了研究熱點(diǎn)。盡管SF納米纖維在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究上已經(jīng)取得一定成果，但臨床應(yīng)用仍面臨許多問題，大部分還處在實(shí)驗(yàn)階段。但就目前而言，SF主要利用靜電紡絲技術(shù)加工成微納米纖維網(wǎng)、導(dǎo)管等材料，并且研究人員對(duì)這些材料的性能進(jìn)行了全面的分析和研究，推動(dòng)了當(dāng)前靜電紡絲技術(shù)的進(jìn)步和醫(yī)學(xué)生物技術(shù)的良性發(fā)展。