絲膠蛋白基水凝膠膜溶脹性能的研究

李慶春 鄒 君 董顯新

(廣西化學(xué)纖維研究所，廣西 南寧 530022)

絲膠蛋白基水凝膠膜溶脹性能的研究

李慶春 鄒 君 董顯新

(廣西化學(xué)纖維研究所，廣西 南寧 530022)

采用絲膠蛋白為研究主體，與另一成膜組分聚甲基丙烯酸合成絲膠蛋白基水凝膠膜，探討了絲膠蛋白基水凝膠膜溶脹性能。結(jié)果表明，絲膠蛋白基水凝膠膜溶脹行為由水分子擴(kuò)散進(jìn)入高分子網(wǎng)絡(luò)占主導(dǎo)因素，在相同溶脹條件下，溶脹度與膠蛋白基水凝膠膜SS、MAA含量有關(guān)；絲膠蛋白基水凝膠膜具有pH敏感性和快速去溶脹速率及可逆溶脹-去溶脹性能。

絲膠蛋白；水凝膠膜；pH敏感性；溶脹；性能

絲膠蛋白是一種相對分子量為1.4～31.4萬，由18種氨基酸組成的球狀蛋白，對繭絲的膠著、離解等性質(zhì)有重要影響，其二級結(jié)構(gòu)以無規(guī)卷曲構(gòu)象為主，含有少量B構(gòu)象，幾乎不含a螺旋構(gòu)象。將一定濃度的絲膠蛋白水溶液在自然條件下放置，能得到熱可逆性的絲膠凝膠膜，絲膠凝膠化過程中由于分子構(gòu)象變化可引起透光率、強(qiáng)力（膠粘性）、表面張力等物理性質(zhì)變化。凝膠膜的重要特性是吸水溶脹，隨外界溫度、pH值、電場作用、光、離子和某些化學(xué)物質(zhì)的變化而發(fā)生結(jié)構(gòu)和物理性能變化。當(dāng)凝膠膜受到環(huán)境因素刺激時會發(fā)生突變，呈現(xiàn)溶脹相與收縮相相互轉(zhuǎn)變行為，因這種特殊的性能，使凝膠在生物材料領(lǐng)域，例如酶固定化膜材料、細(xì)胞生長促進(jìn)基質(zhì)、組織修復(fù)膜材料、混合相分離膜材料等有著廣闊的應(yīng)用前景。

絲膠作為一種天然蛋白質(zhì)，人們已經(jīng)越來越關(guān)注絲膠凝膠化過程中發(fā)生的分子構(gòu)象及結(jié)晶度的變化，對其凝膠化過程的研究，將為絲膠的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。由于純絲膠蛋白制備的凝膠膜力學(xué)性能存在缺陷，為了充分利用絲膠蛋白的功能特性，根據(jù)對水凝膠的性質(zhì)的要求，有針對性地選擇第二相物質(zhì)與絲膠共混或聚合，可得到期望的性能，以滿足生物醫(yī)藥領(lǐng)域越來越廣泛的需要。本文以絲膠蛋白為研究主體，與另一環(huán)境敏感性單體結(jié)合起來制備出新的絲膠蛋白基水凝膠膜，從而交織和擴(kuò)展各組分的功能，在此基礎(chǔ)上對絲膠蛋白基水凝膠膜溶脹性能進(jìn)行了研究。

（一）材料與方法

1.材料

（1）絲膠蛋白

本試驗(yàn)所用絲膠蛋白原料由本所根據(jù)試驗(yàn)要求分別制備。

（2）化學(xué)試劑

聚乙二醇二縮水甘油醚(PEGO)：一級品，上海如發(fā)化工科技有限公司提供；甲基丙烯酸(MAA)：分析純，上海市五聯(lián)化工廠生產(chǎn)；過硫酸銨(APS)：分析純，上海市愛建試劑廠生產(chǎn)；N，N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)：分析純，上海市化學(xué)試劑公司提供；檸檬酸(C6H807)：分析純，中國醫(yī)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司；磷酸氫二鈉(Na2HP04)：分析純，成都科龍化工廠；磷酸二氫鈉(NaH2P04)：分析純，成都科龍化工廠；無水碳酸鈉(Na2C03)：分析純，成都科龍化工廠；碳酸氫鈉(NaHC03)：分析純，上海虹光化工廠；等等。

（3）蒸餾水

用HSZ11.20型蒸餾水儀器制備。

2.方法

（1）絲膠蛋白基水凝膠膜的制備

將ss與另一成膜組分的單體按一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)比同時溶于去蒸餾水中，然后加入各自的交聯(lián)劑和引發(fā)劑等，充分?jǐn)嚢?，?0℃溫度靜置反應(yīng)24hr，將制得的ss基水凝膠常溫浸泡于蒸餾水中5天，每隔4hr換一次水以去除未反應(yīng)的單體、交聯(lián)劑和引發(fā)劑，最后將水凝膠切割成片，烘干，制得ss基水凝膠膜。

在試驗(yàn)中選取另一成膜組分為聚甲基丙烯酸（PMAA）高分子聚合物，其單體為甲基丙烯酸（MAA）；MAA交聯(lián)劑為N，N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)，其加入量為MAA質(zhì)量的2.7%； SS交聯(lián)劑為聚乙二醇二縮水甘油醚(PEGO)，其加入量為SS質(zhì)量的30-40%；引發(fā)劑為過硫酸銨(APS)，其加入量為MAA質(zhì)量的1.0%，不同SS、MAA含量的絲膠蛋白基水凝膠膜配比見表1。

表1 膠蛋白基水凝膠膜配比

（2）溶脹度的檢測方法

用稱重法測定水凝膠的溶脹率(SR)。將充分干燥的試樣稱重后，放入指定溫度的蒸餾水中，每隔一定時間取出，用濾紙吸干表面的蒸餾水，迅速稱量水凝膠重量。當(dāng)水凝膠達(dá)到溶脹平衡時所對應(yīng)的溶脹度稱為平衡溶脹度(ESR)。按下列公式計(jì)算溶脹度(SR)：

式中：Wt為溶脹t時間的水凝膠重量(g)，Wa為溶脹前干膠重量(g)。

（3）去溶脹度的檢測方法

首先將絲膠蛋白基水凝膠膜在pH7.4的緩沖溶液中充分溶脹達(dá)平衡，然后將水凝膠移到pH2.6的緩沖溶液中，每隔一定的時間，取出并用濾紙擦去水凝膠表面帶出的液體，稱重。去溶脹度WR按照下式計(jì)算：

其中，Wt為溶脹t時間的水凝膠重量(g)，Wa為溶脹前干膠重量(g)，Ws為在pH7.4緩沖溶液中充分溶脹達(dá)平衡時凝膠的重量(g)。

（4）溶脹可逆性的檢測方法

把絲膠蛋白基水凝膠膜首先放入pH7.4的緩沖溶液中，每隔一定時間測定其重量，反復(fù)數(shù)次至其達(dá)到溶脹平衡。然后再將其轉(zhuǎn)入pH2.6的緩沖溶液中，每隔一定時間測定其重量，反復(fù)數(shù)次至其達(dá)到溶脹平衡。經(jīng)歷pH7.4溶脹→pH 2.6去溶脹→pH 7.4溶脹→pH 2.6去溶脹的循環(huán)刺激，按（1）式計(jì)算其溶脹度。

（5）緩沖溶液的配制

根據(jù)《GB/T603-2002化學(xué)試劑 試驗(yàn)方法中所用制劑及制品的制備》要求,用檸檬酸、磷酸二氫鈉配制成pH為2.6緩沖溶液，磷酸氫二鈉和磷酸二氫鈉配制成pH為7.4的緩沖溶液。

（二）結(jié)果與討論

1.絲膠蛋白基水凝膠膜在蒸餾水中的溶脹性能

水凝膠使用時一般均處于大量水溶脹的環(huán)境中，水作為第三組分將對水凝膠的性質(zhì)產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，所以水凝膠在水中的動態(tài)溶脹過程是評價水凝膠性質(zhì)的重要方面。很多學(xué)者研究了凝膠的溶脹動力學(xué)發(fā)現(xiàn)聚合物網(wǎng)絡(luò)溶脹機(jī)理的聚集擴(kuò)散與水分子的簡單擴(kuò)散略有不同，凝膠由干態(tài)開始吸水溶脹時，一般認(rèn)為經(jīng)過水分子擴(kuò)散進(jìn)入高分子網(wǎng)絡(luò)、高分子鏈發(fā)生水合而松馳、高分子網(wǎng)絡(luò)在水溶液中進(jìn)行擴(kuò)展3個連續(xù)的過程。根據(jù)Fickian第二擴(kuò)散定律，如果第一個過程占主導(dǎo)地位，凝膠的吸水量Mt／M∞（溶脹t時刻與溶脹平衡時刻所吸水量之比）與吸水時間的平方根t?成正比關(guān)系。如果第二、第三過程占主導(dǎo)地位，其吸水量正比于吸水時間，吸水量與吸水時間平方根之間的關(guān)系曲線呈s型形狀。

本試驗(yàn)?zāi)M人體正常體溫，把試驗(yàn)樣品放入37℃的蒸餾水中浸泡，每隔一定的時間取出，用濾紙吸干表面的蒸餾水，迅速稱量水凝膠質(zhì)量，以探討絲膠蛋白基水凝膠膜在蒸餾水中的溶脹性能。結(jié)果見圖1、圖2。

圖1 在去離子水中的動態(tài)溶脹曲線

從圖1中可以看到凝膠的吸水量和t?基本上成直線關(guān)系。這說明本試驗(yàn)制備的絲膠蛋白基水凝膠膜在37℃的蒸餾水中的溶脹行為由水分子擴(kuò)散進(jìn)入高分子網(wǎng)絡(luò)過程所控制。

圖2 在去離子水中溶脹度隨時間的變化曲線

從圖2可以看到本試驗(yàn)研制的絲膠蛋白基水凝膠膜樣品在前30min溶脹速率變化非?？欤?0min后基本上達(dá)到溶脹平衡。在相同溶脹時間下，MS6溶脹度最大，MS2溶脹度最小。

2.絲膠蛋白基水凝膠膜的pH去溶脹性能

本項(xiàng)目研制的絲膠蛋白基水凝膠膜對pH具有顯著的敏感性，這類水凝膠的溶脹或去溶脹是隨pH值的變化而發(fā)生變化的。試驗(yàn)中，首先我們將試樣放在pH7.4的緩沖溶液中充分溶脹達(dá)平衡，然后將水凝膠移到pH2.6的緩沖溶液中，每隔一定的時間，取出并用濾紙擦去水凝膠表面帶出的液體，稱重，計(jì)算去溶脹度WR（%），考察試樣去溶脹性能，結(jié)果見圖3。

圖3 去溶脹曲線圖

從圖3可看出，MS2、MS3、MS4、MS5、 MS6的去溶脹率都大于MS1、 MS7，試樣溶脹前30min，去溶脹率變化很快，并且隨著絲膠蛋白含量的減少，其去溶脹率越大，失水率越高，溶脹至50min以后，去溶脹率變化趨于平穩(wěn)。

3.絲膠蛋白基水凝膠膜的pH可逆溶脹性能

從上面的試驗(yàn)可以知道試樣由pH7.4轉(zhuǎn)移至pH2.6時會收縮失水，失水后的試樣再次放入pH7.4的環(huán)境會產(chǎn)生什么樣的行為？試驗(yàn)中，我們把絲膠蛋白基水凝膠膜首先放入pH7.4的緩沖溶液中，每隔一定時間測定其重量，反復(fù)數(shù)次至其達(dá)到溶脹平衡。然后再將其轉(zhuǎn)入pH2.6的緩沖溶液中，每隔一定時間測定其重量，反復(fù)數(shù)次至其達(dá)到溶脹平衡。經(jīng)歷pH7.4溶脹→pH 2.6去溶脹→pH 7.4溶脹→pH 2.6去溶脹的循環(huán)刺激，按（1）式計(jì)算其溶脹度，以考察試樣對pH響應(yīng)的可逆行為，由于MS1、MS7去溶脹率變化沒有MS2-MS7明顯，本試驗(yàn)僅對MS2-MS7進(jìn)行，結(jié)果如圖4。

圖4 溶脹-去溶脹曲線圖

圖4中峰的上升期為試樣于pH7.4緩沖溶液的溶脹-去溶脹曲線，峰的下降期為試樣于pH2.6緩沖溶液的溶脹-去溶脹曲線。從圖中可以看出，試樣由pH7.4轉(zhuǎn)移至pH2.6時會收縮失水，收縮失水后的試樣再次放入pH7.4緩沖溶液后，試樣從新開始溶脹，試樣經(jīng)三次循環(huán)試驗(yàn)后，平衡溶脹度僅有微小的下降，MS3、MS4、MS5溶脹-收縮行為隨pH變化最為明顯，具有良好的pH溶脹-收縮可逆性。

（三）結(jié)論

1.絲膠蛋白基水凝膠膜溶脹行為由水分子擴(kuò)散進(jìn)入高分子網(wǎng)絡(luò)占主導(dǎo)因素，在相同溶脹條件下，溶脹度與膠蛋白基水凝膠膜SS、MAA含量有關(guān)。

2.絲膠蛋白基水凝膠膜具有pH敏感性和快速去溶脹速率及可逆溶脹-去溶脹性能。

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TS149

A

1008-1151(2011)05-0116-02

2011-02-28

廣西科學(xué)基金項(xiàng)目（桂科0832072）

李慶春（1964-），廣西化學(xué)纖維研究所高級工程師，研究方向?yàn)榧徔椨没瘜W(xué)品技術(shù)。