靜電紡絲素-透明質(zhì)酸共混納米纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)研究

陳 梅，張 鋒，明津法，高艷菲，左保齊

(1.現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215123；2.蘇州大學(xué) a. 紡織與服裝工程學(xué)院；b. 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與生物科學(xué)學(xué)院，江蘇 蘇州 215123)

靜電紡絲素-透明質(zhì)酸共混納米纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)研究

陳 梅1,2a，張 鋒2b，明津法1,2a，高艷菲1,2a，左保齊1,2a

(1.現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215123；2.蘇州大學(xué) a. 紡織與服裝工程學(xué)院；b. 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與生物科學(xué)學(xué)院，江蘇 蘇州 215123)

以甲酸為溶劑，采用靜電紡絲方法制備絲素蛋白(SF)與不同相對(duì)分子質(zhì)量的透明質(zhì)酸(HA)共混納米纖維，并通過(guò)掃描電鏡(SEM)、紅外光譜(FTIR)、X射線衍射(XRD)和熱分析(TG-DTA) 研究了SF-HA共混納米纖維非織造網(wǎng)的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和性能。結(jié)果表明：通過(guò)靜電紡絲，絲素與低分子量的透明質(zhì)酸共混納米纖維直徑在100 nm左右，纖維表面光滑，呈圓柱狀；高分子量透明質(zhì)酸的加入使得纖維形態(tài)變差，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。

絲素蛋白；透明質(zhì)酸；靜電紡絲；共混納米纖維

絲素蛋白(SF)來(lái)源于天然高分子生物材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的生物相容性、可控的生物降解性、易加工性等特點(diǎn)，目前已被加工成微球、多孔支架、再生長(zhǎng)絲、納米纖維、水凝膠等，并用于組織修復(fù)、藥物控釋等領(lǐng)域[1-2]。透明質(zhì)酸(HA)是糖胺聚糖的一種，大量存在于體內(nèi)細(xì)胞外基質(zhì)中，具有優(yōu)異的生物相容性和可降解性。天然細(xì)胞外基質(zhì)主要由蛋白和多糖組成，其中的膠原纖維是一種處于納米和微米尺寸的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[3]。因此，通過(guò)靜電紡絲制備類似于細(xì)胞外基質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)的納米纖維支架，并應(yīng)用于組織工程領(lǐng)域已成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。

本研究以甲酸為溶劑，對(duì)再生SF與HA的生物相容性及可紡性進(jìn)行了研究，并采用靜電紡絲方法制備了SF-HA共混納米纖維，對(duì)其形態(tài)和結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了測(cè)試分析。

1 試 驗(yàn)

1.1 材 料

無(wú)水碳酸鈉(化學(xué)純，上海興達(dá)化學(xué)試劑廠)，無(wú)水溴化鋰(化學(xué)純，上海恒信化學(xué)試劑有限公司)，乙醇(分析純，上?；瘜W(xué)試劑二廠) ，甲酸(分析純，天津市有機(jī)合成廠)；桑蠶絲(浙江湖州)；透明質(zhì)酸(化學(xué)純，山東福瑞達(dá)醫(yī)藥有限公司)。

1.2 共混測(cè)試

用日本日立S-4700型掃描電子顯微鏡觀察纖維形態(tài)；用美國(guó)Nicolet5700型紅外光譜儀測(cè)定纖維分子結(jié)構(gòu)，掃描次數(shù)為32次，波數(shù)范圍為4 000 cm-1～500 cm-1，光譜分辨率為4 cm-1；用荷蘭PAN alytical公司的X' Pert PRO MPD X射線衍射儀測(cè)試?yán)w維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，CuKa靶，加速電壓40 kV，電流40 mA，λ=0.154 nm；用美國(guó)PE公司的TG-DTA(PE-SII)測(cè)定纖維的熱性能，氮?dú)夥諊?，氮?dú)饬髁?0 mL/min，測(cè)試溫度范圍為40～500 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

1.3 靜電紡絲

1.3.1 紡絲溶液的制備

將桑蠶絲于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5 ‰的Na2CO3水溶液(浴比1∶20)中煮沸30 min，然后用去離子水洗滌，如此反復(fù)進(jìn)行3次，去除絲膠。

配制BrLi與C2H5OH為質(zhì)量比40︰60的溶液，溫度(80±2)℃，將脫膠后的SF溶于其中，攪拌溶解得到SF溶液。將冷卻后的SF溶液裝入透析袋中，用自來(lái)水流動(dòng)透析2 d，再用去離子水透析1 d，得到純SF水溶液。將SF水溶液倒入聚乙烯塑料平板上，在室溫條件下干燥得到純SF膜。

將SF膜分別和相對(duì)分子質(zhì)量60 萬(wàn)、160 萬(wàn)、260 萬(wàn)的HA粉末以10︰1的質(zhì)量比共混溶解到甲酸溶液中，在磁力攪拌器上攪拌直至兩者充分溶解，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12 %的紡絲液。

1.3.2 紡絲過(guò)程及后處理

室溫條件下，在注射器中加入SF-HA共混溶液。注射器的噴射孔徑為0.8 mm，噴絲頭到接收板間的距離為10 cm，高壓發(fā)生器的電壓為16 kV。分別對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12 %的不同相對(duì)分子質(zhì)量的SF-HA共混溶液進(jìn)行靜電紡絲。將收集到的納米纖維網(wǎng)浸漬到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75 %的乙醇溶液中，30 min后取出，在室溫條件下自然晾干備用。

2 結(jié)果與討論

2.1 形態(tài)結(jié)構(gòu)分析

圖1所示為SF與3種不同相對(duì)分子質(zhì)量HA共混納米纖維的掃描電鏡圖片。圖1中，純SF納米纖維的平均直徑為127 nm，纖維均勻性較差，乙醇處理后形態(tài)變化不大。當(dāng)加入相對(duì)分子質(zhì)量為60 萬(wàn)的HA后，纖維明顯變細(xì)，平均直徑為108 nm，并且纖維較為光滑，但纖維之間出現(xiàn)了粘連，乙醇處理后，纖維出現(xiàn)了收縮，直徑增大。而加入相對(duì)分子質(zhì)量為160 萬(wàn)的HA導(dǎo)致纖維直徑增大到148 nm，纖維直徑均勻，表面光滑，乙醇處理后同樣出現(xiàn)了收縮現(xiàn)象。加入相對(duì)分子質(zhì)量為260 萬(wàn)的HA后，紡絲液黏度急劇增大，紡絲困難，所紡纖維出現(xiàn)了嚴(yán)重的粘連現(xiàn)象，因此在后面的分析中未進(jìn)行該相對(duì)分子質(zhì)量的研究。

圖1 SF與不同相對(duì)分子質(zhì)量的HA靜電紡絲纖維乙醇處理前后SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of the SF-HA blend nano fi bers before and after dispose by Ethanol

2.2 分子構(gòu)象研究(FTIR)

紅外光譜是研究絲蛋白構(gòu)象的簡(jiǎn)單而又常用的方法之一[4]。圖2為SF-HA共混納米纖維的紅外譜圖。試樣2為純SF納米纖維，其酰胺I的吸收峰在1 659.5 cm-1對(duì)應(yīng)無(wú)規(guī)構(gòu)象，在1 631.3 cm-1處的一個(gè)小肩峰對(duì)應(yīng)β折疊構(gòu)象。HA在1 618.1 cm-1處的吸收峰為羧酸CO的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，1 416.3 cm-1為CO的對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，1 154 cm-1為C―O―C的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，1 045 cm-1為伯醇C―O伸縮振動(dòng)峰，611 cm-1為N―H的彎曲及搖擺振動(dòng)峰[5]。在SF中加入HA后，SF-HA共混納米纖維在酰胺I處的吸收峰向低波數(shù)方向移動(dòng)。以上結(jié)果說(shuō)明靜電紡SF納米纖維以無(wú)定形或Silk I結(jié)構(gòu)為主，但由于靜電紡絲過(guò)程中的高倍牽伸出現(xiàn)了一定的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，而HA的加入并未對(duì)SF分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯影響。

圖2 SF-HA共混納米纖維的FTIR曲線Fig.2 FTIR spectra of the SF-HA blend nano fi bers

2.3 結(jié)晶結(jié)構(gòu)分析(XRD)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)家蠶SF蛋白分子構(gòu)象的研究[6]，X射線衍射曲線中Silk I的衍射峰主要出現(xiàn)在12.2°、19.7°、24.7°、28.2°附近；Silk II的衍射峰主要出現(xiàn)在9.1°、18.9°和20.7°附近。

圖3所示為SF-HA共混納米纖維的XRD圖。圖3中純SF納米纖維在19.7°有較強(qiáng)衍射峰，在24.3°附近有較弱衍射峰，說(shuō)明純SF的結(jié)晶結(jié)構(gòu)以Silk I為主。透明質(zhì)酸的衍射峰為11.6°和21.6°，這應(yīng)該歸屬于HA的螺旋結(jié)構(gòu)。SF-HA共混納米纖維中SF在19.7°處的位置沒(méi)有發(fā)生變化，這表明HA的加入并未對(duì)SF的結(jié)晶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯影響，這與上述紅外的結(jié)論一致。

圖3 SF-HA共混納米纖維的X射線衍射曲線Fig.3 XRD spectra of the SF-HA blend nano fi bers

2.4 熱性能研究(TG-DTA)

對(duì)不同相對(duì)分子質(zhì)量的SF-H A靜電紡納米纖維的熱性能通過(guò)差熱分析進(jìn)行表征。由圖4可知，純SF納米纖維明顯的失重溫度為279.8 ℃，HA的明顯失重溫度為240.8 ℃，共混納米纖維膜的失重溫度介于兩者之間。隨著HA相對(duì)分子質(zhì)量的增大，失重溫度向低溫移動(dòng)，這主要是由于HA的分解溫度較低所造成的，HA的分解峰在210 ℃[7]。從熱分解TG曲線也證實(shí)了上述結(jié)論，圖5中樣品4(HA)的熱分解開(kāi)始于210 ℃左右，而純SF的熱分解則開(kāi)始于260 ℃左右。由于HA含量較少(10 %)，因此SF-HA共混納米纖維的熱分解曲線與純SF的相近。

圖4 SF-HA的DTA圖譜Fig.4 DTA curve of the SF-HA blends nano fi bers

圖5 SF-HA的TG曲線Fig.5 TG curve of the SF-HA blend nano fi bers

3 結(jié) 論

以甲酸為溶劑，采用靜電紡絲方法制備了SF-HA共混納米纖維，并通過(guò)SEM、FTIR、X射線衍射和TGDTA對(duì)該納米纖維進(jìn)行了測(cè)試分析，得出以下結(jié)論：

1)SF-HA質(zhì)量比為10∶1，以12 %的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以溶解于98 %甲酸，說(shuō)明甲酸可以作為再生SF和不同相對(duì)分子質(zhì)量HA(60 萬(wàn)、160 萬(wàn)和260 萬(wàn))共混的溶劑。

2)采用靜電紡絲方法可以制備SF-HA共混納米纖維，纖維形態(tài)受到透明質(zhì)酸相對(duì)分子質(zhì)量的影響。SF與60 萬(wàn) HA共混納米纖維直徑在100 nm左右，纖維表面光滑，呈圓柱狀；高相對(duì)分子質(zhì)量HA(260 萬(wàn))的加入使得纖維形態(tài)變差，出現(xiàn)嚴(yán)重的粘連現(xiàn)象。

3)SF-HA共混納米纖維的結(jié)構(gòu)和熱性能基本與純SF納米纖維一致，這說(shuō)明透明質(zhì)酸加入不會(huì)對(duì)SF蛋白的分子結(jié)構(gòu)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)和熱性能產(chǎn)生明顯影響。

[1] ROCKWOOD D N, PREDA R C, YüCEL T, et al. Materials fabrication from Bombyx mori silk fibroin[J]. Nature Protocols, 2011, 6: 1612-1631.

[2] HARDY J G, SCHEIBEL T R. Composite materials based on silk[J]. Prog Polym Sci, 2010, 35: 1093-1115.

[3] KIM B S, PARK I K, HOSHIBA T, et al. Design of arti fi cial extracellular matrices for tissue engineering[J]. Prog Polym Sci, 2011, 36: 238-268.

[4] 周文，陳新，邵正中.紅外和拉曼光譜用于對(duì)絲蛋白構(gòu)象的研究[J].化學(xué)進(jìn)展，2006，18(11)：1514-1522.ZHOU Wen, CHEN Xin, SHAO Zhengzhong. Conformation Studies of Silk Proteins With Infrared and Raman Spectroscopy Progress in Chemistry[J]. Progress in Chemistry, 2006, 18(11): 1514-1522.

[5] LI M Z, WU Z Y, LU S Z, et al. Study on porous silk fi broin materials[J]. Journal of Dong Hua University, 2001, 27(2):12-19.

[6] LI M Z, LU S Z, WU Z Y, et al. Study on porous silk fi broin materials: fi ne structure of freeze-dried silk fi broin[J]. J Appl Polym Sci, 2001, 79: 2185-2191.

[7] HU X, LU Q, SUN L, et al. Biomaterials from ultrasonicationinduced silk fibroin-hyaluronic acid hydrogel[J].Biomacromolecules, 2010,11: 3178-3188.

Study on electrospun Silk Fibroin-Hyaluronic acid blends nanofbers and its structure

CHEN Mei1,2a, ZHANG Feng2b, MING Jin-fa1,2a, GAO Yan-fei1,2a, ZUO Bao-qi1,2a
(1.National Engineering Laboratory for Modern Silk, Suzhou 215123, China; 2a.College of Textile and Clothing Engineering; 2b.School of Biology &Basic Medical Sciences, Soochow University, Suzhou 215021, China)

Silk fibroin and different molecular hyaluronic acid blend nanofibers (SF-HA) were obtained by electro spinning and using formic acid as solvent. Morphological structure and molecular structure of the SF-HA blend nanofibers were examinedby SEM, FTIR, XRD, TG-DTA. It shows that the average diameters of SF-HA blend nanofibers was about 100 nm; the surface of blend fibers was smooth and the shape was cylindrical; with the addition of high molecular hyaluronic acid, the morphology of SF-HA became worse and the nanofibers had serious connection with each other. However, the result proved that the addition of little hyaluronic acid had no significant effect on the molecular conformation and crystal structure.

Silk fibroin; Hyaluronic acid; Electrospun; Blend nanofibers

TB383

A

1001-7003(2012)06-0005-03

2011-11-29；

2012-01-03

蘇州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(SG201046)；江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科一期建設(shè)工程項(xiàng)目(蘇政辦發(fā)[2011]6號(hào))

陳梅(1987－ )，女，碩士研究生，研究方向?yàn)榻z素蛋白生物材料。通訊作者：左保齊，教授，博導(dǎo)，bqzuo@suda.edu.cn。