降低絲素蛋白/檸檬酸/乙二醇膜對水的pH值影響的方法

張偉國，莊高磊，田保中

(1.蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇蘇州215021;2.現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室，江蘇蘇州215123)

作為繭絲纖維的主要成分，絲素蛋白具有優(yōu)良的人體相容性、天然、來源廣泛等優(yōu)點，因此作為生物醫(yī)學(xué)研究材料引起了國內(nèi)外研究者的重視［1-3］。但是純絲素膜存在“硬脆”的缺點，為使絲素膜具有軟組織修復(fù)材料所要求的“柔軟”性質(zhì)，人們多采用交聯(lián)的方法，然而已有系統(tǒng)的研究表明，常用的生物材料交聯(lián)劑如戊二醛和環(huán)氧化合物均存在生物毒性［4］。檸檬酸分子具有1個羥基和3個羧基，采用檸檬酸作為交聯(lián)劑有一定的可行性，但是從其近乎球狀的分子形狀初步判斷，單獨作為交聯(lián)劑，效果可能比較差，所以選用了乙二醇或者聚乙二醇與其3個羧基反應(yīng)制成交聯(lián)劑［5］。有研究發(fā)現(xiàn)，絲素蛋白/檸檬酸/乙二醇膜(SFCE)的一個主要缺點是會顯著降低水的pH值［5］，推測這是由于檸檬酸的3個羧基的反應(yīng)能力很小存在太多游離羧基造成的。本文提出了兩種降低SFCE膜對水的pH值影響的方法并研究了其機(jī)理及膜的力學(xué)機(jī)械性能。

1 試驗

1.1 材 料

蠶繭(日本)，無水碳酸鈉，無水氯化鈣，無水乙醇，檸檬酸，乙二醇。試驗所用藥品均來自日本國和光純藥工業(yè)株式會社，級別為分析純。

1.2 方 法

1.2.1 絲素溶液的準(zhǔn)備

稱取蠶繭繭殼，按1︰50(繭殼的質(zhì)量︰溶液的體積)的浴比放入質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)為0.05%碳酸鈉溶液中，沸煮1 h，水洗干凈，再重復(fù)2次，然后放入烘箱中，60℃鼓風(fēng)烘12 h，得到純絲素纖維。將純絲素纖維在CaCl2—H2O—C2H5OH(摩爾比為1︰8︰2)三元溶劑中于(80±2)℃溶解，經(jīng)過透析、過濾得絲素溶液。

1.2.2 膜樣品制備

1)SFCE4膜制作:按照1︰4的摩爾比，將檸檬酸和乙二醇混合于燒杯中，在一定溫度下加熱15 min后，檸檬酸溶解于乙二醇中，形成透明黏稠狀物質(zhì)，該物質(zhì)命名為CEG4。按照不同的質(zhì)量比，將絲素蛋白溶液和CEG4在100℃加熱形成均勻的溶液，移入塑料盒中，然后將其置于干燥箱內(nèi)，60℃下干燥后，得到的膜標(biāo)記為SFCE4膜。

2)SFCECa4膜制作:將制備好的SFCE4膜保留在原塑料盒中，然后向其中加入足量飽和CaCO3溶液，將已經(jīng)盛有足量CaCO3粉末的透析袋置于其中。24 h后，盒內(nèi)的水在60℃被蒸發(fā)完以后，得到的膜標(biāo)記為SFCECa4膜。

3)SFACE4膜制作:按照1︰1︰4的摩爾比稱取一定質(zhì)量的檸檬酸、醋酸和乙二醇，然后將檸檬酸和醋酸混合置于密閉壓力容器中，將密閉壓力容器在120℃下放置2 h，獲得一種黏稠物質(zhì)AC。將制得的AC與乙二醇混合，120℃下加熱15 min后，獲得一種膠狀物質(zhì)，表示為ACEG4。按照設(shè)定的質(zhì)量比，向盛有絲素蛋白溶液的燒杯中移入一定質(zhì)量的ACEG4，然后將燒杯100℃下加熱1 h，燒杯里的物質(zhì)變成近乎澄清的溶液，然后將該溶液倒入塑料盒中，將塑料盒置于60℃干燥箱中，待溶液干燥成膜后取出。得到的膜標(biāo)記為SFACE4膜。

1.2.3 膜對水的pH值影響

稱取質(zhì)量約為0.05 g的膜，按1︰200的浴比放入蒸餾水中(23±0.2)℃，立即用pH計測水的pH值并記錄，直到水的pH值不再變化為止，據(jù)此作出水的pH-t曲線。

1.2.4 膜的 FTIR 譜

用Perkin Elmer 1600紅外光譜儀(美國Perkin Elmer公司產(chǎn)品)測得膜的紅外光譜。

1.2.5 膜的機(jī)械性能

樣品膜的尺寸為10 mm×40 mm，每種膜的樣品數(shù)量為10個。試驗在ORIENTEC Universal Testing Machine上進(jìn)行，夾距為20 mm，拉伸速度為20 mm/min，量程為50 N。試驗環(huán)境:溫度為25℃，相對濕度為60%。記錄斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率，按如下公式計算膜的斷裂強(qiáng)度P。

式中:P為膜的斷裂強(qiáng)度，MPa;F為膜的斷裂強(qiáng)力，N;d為膜的寬度，cm;h為膜的厚度，cm。

2 結(jié)果與討論

2.1 膜對水的pH值影響

圖1為膜對水的pH值影響。

圖1 膜對水的pH值影響Fig.1 The influence of film on pH value of water

從圖1可見，按照方法1)制備的SFCE4膜在很短的時間內(nèi)將水的pH值降到了接近于3.00;按照方法2)制備的SFCECa4膜降低水的pH值速度比SFCE4膜慢些，經(jīng)歷23min后水的pH值恒定于4.13;按照方法3)制備的SFACE4膜在1 min內(nèi)將蒸餾水的pH值從6.95提高到8.63，隨后水的 pH值緩慢下降，5 min后下降到7.50以下，15 min后下降到并恒定為7.00±0.50。由此可知，用CaCO3溶液處理SFCE膜以降低SFCE膜對水的pH值影響效果不太理想。醋酸降低SFCE膜對水的pH值影響效果很理想。

檸檬酸分子有三個羧基，所以有較強(qiáng)的酸性，將乙酸和檸檬酸按1︰1的摩爾比混合加熱后，乙酸分子上的羧基和檸檬酸分子上的羥基發(fā)生酯化反應(yīng)生成的乙酯基增強(qiáng)了檸檬酸分子上羧基的反應(yīng)能力。這三個羧基與乙二醇分子可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成比較穩(wěn)定的酯鍵，因此醋酸與檸檬酸預(yù)先反應(yīng)能夠達(dá)到降低SFCE膜對水的pH值影響的目的。

2.2 膜的紅外光譜

圖2為膜的FTIR譜。從圖2可見，SFCECa4膜和SFCE4膜的FTIR譜形狀差別很小，吸收峰的位置基本相同，兩個譜線可以完全疊合在一起，說明CaCO3幾乎沒有改變檸檬酸和乙二醇之間的結(jié)合狀態(tài)。

圖2 膜的FTIR譜Fig.2 FTIR spectra of film

SFCE4膜和SFACE4膜的FTIR譜存在四個區(qū)別，第一區(qū)別是:SFCE4膜在2 950 cm-1處的吸收帶為2 938～2 966 cm-1，此為羧酸的羥基和—CH2—基的伸縮振動的貢獻(xiàn)，SFACE4膜在此處附近的吸收帶為2 876～2 934 cm-1，這是醋酸和檸檬酸之間形成的CH3—COO—C(C—)2即醋酸酯基(2 900 cm-1)、檸檬酸和乙二醇形成的酯基(2 876 cm-1)，以及殘留的醋酸分子(2 934 cm-1)的貢獻(xiàn)［6］，而且此區(qū)域也有—CH2—基伸縮振動吸收的貢獻(xiàn)，只是由于醋酸與檸檬酸形成的醋酸酯基的作用，使得乙二醇的—CH2—基的伸縮振動峰的位置發(fā)生了紅移。第二個區(qū)別是:SFACE4膜在1 088～1 130 cm-1出現(xiàn)了一個比較明顯的吸收帶，這是檸檬酸和乙二醇形成的酯基(1 100 cm-1)及醋酸和檸檬酸之間形成的醋酸酯基(1 130 cm-1)的貢獻(xiàn)［6］，而 SFCE4不出現(xiàn)這個吸收帶。第三個區(qū)別是:SFCE4膜在1 220 cm-1附近出現(xiàn)一個吸收帶，這是游離的檸檬酸分子(1 220 cm-1)的貢獻(xiàn)［6］，說明膜中存在相當(dāng)量的游離檸檬酸分子，而SFACE4膜沒有出現(xiàn)這個吸收帶，說明SFACE4膜中的檸檬酸分子基本上已經(jīng)和醋酸反應(yīng)并形成了比較強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合。第四個區(qū)別是:SFCE4膜在1 734 cm-1處出現(xiàn)一個明顯的吸收峰，應(yīng)該是游離的檸檬酸的羰基的伸縮振動峰［6］。

三種膜的FTIR譜均在1630 cm-1(酰胺Ⅰ)處出現(xiàn)β折疊型絲素，即絲素Ⅱ的特征吸收峰，說明在SFCE4、SFCECa4和SFACE4膜中均存在β折疊型絲素，這是因為在成膜過程中都有部分絲素發(fā)生了β結(jié)晶化。

CaCO3之所以能夠降低SFCE膜對水的pH值影響，主要是溶解的CaCO3與檸檬酸分子上未發(fā)生酯化反應(yīng)的羧基及游離的檸檬酸分子的羧基發(fā)生了反應(yīng)，但CaCO3與羧基的反應(yīng)能力有限，因此降低膜對水的pH值影響效果有限。醋酸可以和檸檬酸分子上的羥基發(fā)生酯化反應(yīng)，形成的乙酯基在該分子上是一個推電子基，導(dǎo)致檸檬酸分子上的羧基易于離去一個—OH基，容易和乙二醇分子發(fā)生酯化反應(yīng)，實際上“封閉”了檸檬酸分子的羧基，因此醋酸可以使SFCE膜完全不具有影響水的pH值的能力。

2.3 膜的力學(xué)機(jī)械性能

膜的機(jī)械性能尤其濕態(tài)下的機(jī)械性能，是軟組織修復(fù)材料的一項重要指標(biāo)。由于用CaCO3溶液處理得到的SFCECa4膜不能有效降低SFCE膜對水的pH值影響，所以無需研究方法二對SFCE4膜的機(jī)械性能的影響，本文僅研究醋酸對SFCE膜的機(jī)械性能的影響(表1)。

從表1可見，無論濕態(tài)還是干態(tài)，SFACE4膜的斷裂強(qiáng)度都比SFCE4膜的斷裂強(qiáng)度要大得多，這是因為醋酸與檸檬酸的羥基反應(yīng)生成乙酯基增強(qiáng)了檸檬酸的羧基與乙二醇反應(yīng)的能力，醋酸、檸檬酸和乙二醇反應(yīng)生成的化合物與絲素蛋白分子之間可以發(fā)生化學(xué)交聯(lián)，所以SFACE4膜的斷裂強(qiáng)度比SFCE4膜大得多。按方法1)制備的SFCE4膜中存在較多的游離檸檬酸和乙二醇分子，可以起增塑作用，而且檸檬酸和乙二醇形成的物質(zhì)和絲素分子之間的結(jié)合比較弱。因此總的來說，與干態(tài)的SFACE4膜的相比，干態(tài)的SFCE4膜的斷裂伸長率較大。因為濕態(tài)時大量水分子的存在，兩種膜的斷裂伸長率非常接近。

表1 SFCE4 and SFACE4膜的機(jī)械性能Tab.1 Mechanical properties of SFCE4 and SFACE4 films

隨著膜中絲素蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減小，SFCE4膜的干態(tài)和濕態(tài)斷裂強(qiáng)度是減小的，但干態(tài)SFCE4膜的斷裂伸長率有所增大，這主要是因為膜中起增塑作用的小分子物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大的緣故。SFACE4膜的干態(tài)斷裂強(qiáng)度隨著絲素蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減小而有所增大，絲素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64%的SFACE4膜的干態(tài)斷裂伸長率最大，但是絲素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為71%的SFACE4膜的濕態(tài)斷裂伸長率最大，達(dá)到224.4%，這個比例應(yīng)該比較理想，因為對于軟組織修復(fù)材料，濕態(tài)時的機(jī)械性能比干態(tài)時的更重要。

3 結(jié)論

CaCO3飽和溶液降低SFCE膜對水的pH值影響效果有限，因此，此方法不可取。醋酸與檸檬酸的羥基反應(yīng)生成乙酯基能夠提高檸檬酸的3個羧基的反應(yīng)能力，導(dǎo)致檸檬酸的3個羧基可以與乙二醇分子發(fā)生酯化反應(yīng)而被“封閉”，因此SFACE4膜對水的pH值幾乎沒有影響，可以滿足軟組織修復(fù)材料在這方面的要求。

FTIR分析證明，在SFCECa4和SFCE4膜中存在相當(dāng)量的游離檸檬酸分子或者游離羧基，所以這兩種膜對水的pH值有比較大的影響，在SFACE4膜中檸檬酸的羥基與醋酸反應(yīng)生成了乙酯基，增強(qiáng)了檸檬酸分子上3個羧基的反應(yīng)能力導(dǎo)致其羧基和乙二醇分子發(fā)生酯化反應(yīng)而被封閉，所以SFACE4膜對水的pH值沒有影響。

SFACE4膜的干態(tài)和濕態(tài)斷裂強(qiáng)度均比SFCE4膜的大，這主要歸因于醋酸增強(qiáng)了檸檬酸分子上3個羧基的反應(yīng)能力及檸檬酸和乙二醇形成的化合物交聯(lián)劑的反應(yīng)能力。在絲素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為71%時，SFACE4膜有較高的斷裂伸長率。

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