乙醇-水蒸氣處理對靜電紡蠶絲蛋白納米纖維結(jié)構(gòu)性能的影響

范志海，謝宗剛，張 鋒，左保齊

(蘇州大學a.附屬第二醫(yī)院骨科，江蘇蘇州215004;b.基礎(chǔ)醫(yī)學與生物科學學院;c.紡織與服裝工程學院，江蘇蘇州215123)

作為純天然蛋白質(zhì)纖維，蠶絲不僅具有優(yōu)異的 力學性能，而且其生物相容性與膠原相近，因此作為生物醫(yī)用材料受到了國內(nèi)外學者的青睞與廣泛研究［1］。相關(guān)研究證實，天然蠶絲內(nèi)部的結(jié)晶結(jié)構(gòu)是蠶絲具有優(yōu)異力學性能與穩(wěn)定性的重要因素之一。然而在對蠶絲進行再生加工的過程中，天然蠶絲內(nèi)部的結(jié)晶結(jié)構(gòu)遭到破壞，從而導致再生蠶絲蛋白支架易于在水中溶解，且力學性能差。目前，誘導絲蛋白構(gòu)象轉(zhuǎn)變從而提高再生絲蛋白支架水不溶性與力學性能的方法很多，如有機溶劑、溫度、拉伸和金屬離子后處理、與其他高分子共混等方法均可實現(xiàn)絲蛋白結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，從而獲得水不溶性與斷裂強度提高的再生SF支架。然而，大量 β-折疊結(jié)晶結(jié)構(gòu)的形成在提高再生SF支架力學性能與不溶性的同時，又會導致再生SF材料脆性大。

最近的研究發(fā)現(xiàn)，水蒸氣處理在提高SF膜水不溶性的同時可以降低SF的結(jié)晶度，從而獲得了具有柔韌性的再生 SF膜［2］。Lu等［3］通過調(diào)控 SF自組裝形成以silkⅠ結(jié)構(gòu)為主的再生SF膜，研究發(fā)現(xiàn)該SF膜不僅具有優(yōu)異的柔韌性，同時降解速度可調(diào)。水蒸氣結(jié)合溫度變化可以實現(xiàn)對再生SF支架二級結(jié)構(gòu)的調(diào)控，這對調(diào)控SF支架力學性能與生物相容性具有重要意義［4］。有機溶劑、特別是醇溶劑后處理是誘導SF支架發(fā)生構(gòu)象轉(zhuǎn)變的最常用方法之一，被廣泛應(yīng)用于各種形態(tài)再生SF支架。以往的研究主要是將SF支架浸漬于醇溶液中進行后處理，這種方法會導致支架內(nèi)大量醇溶劑的殘留，同時使得后處理工藝復雜，如多孔支架需要二次凍干。最近的報道發(fā)現(xiàn)75%乙醇蒸汽處理可以誘導蠶絲蛋白納米纖維從無規(guī)卷曲向β-折疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變［5］。由于SF結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變有很強的乙醇溶液質(zhì)量分數(shù)的依賴性［6］，并且SF二級結(jié)構(gòu)的差異會對SF支架的力學性能與降解性產(chǎn)生重要影響，因此本研究擬探討不同質(zhì)量分數(shù)乙醇蒸汽后處理對靜電紡SF納米纖維形態(tài)、結(jié)構(gòu)的影響，闡明靜電紡SF納米纖維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變與乙醇質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系，為改善靜電紡SF納米纖維形態(tài)、結(jié)構(gòu)與性能提供參考。

1 實驗

1.1 實驗材料

脫膠桑蠶絲(蠶絲蛋白)，碳酸鈉(Na2CO3，上海試劑總廠)，溴化鋰(LiBr·H2O，上海恒信化學試劑有限公司，分析純)，去離子水(自制)，甲酸(98%，江蘇強盛化工有限公司)，乙醇(上?；瘜W試劑二廠)。

1.2 實驗方法

1.2.1 絲素溶解與絲素膜的制備

桑蠶絲用質(zhì)量分數(shù)0.5%的碳酸鈉溶液煮沸脫膠，浴比1︰20，經(jīng)3次每次脫膠30 min，獲得純SF纖維。然后以mLiBr︰mC2H5OH=40︰60的溶液溶解上述脫膠桑蠶絲，溶解后質(zhì)量分數(shù)為20%，再經(jīng)透析后在室溫下干燥成膜。

1.2.2 SF 納米纖維的制備

將SF膜溶于甲酸中獲得質(zhì)量分數(shù)12%的SF紡絲液。然后通過自制靜電紡絲裝置進行紡絲:調(diào)節(jié)紡絲液流速為0.2 mL/h，紡絲電壓12 kV，紡絲距離12 cm，最終在接收板上形成靜電紡SF納米纖維膜。

1.2.3 不同質(zhì)量分數(shù)乙醇蒸汽后處理

將收集到的SF納米纖維置于玻璃干燥器內(nèi)，同時向干燥器內(nèi)加入100 mL不同質(zhì)量分數(shù)乙醇溶液，隨后用SHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水式真空泵進行抽真空，并一直保持真空度在0.01 MPa，處理半小時后取出樣品進行相關(guān)測試分析。樣品 a、b、c、d、e、f和 g分別為未處理、99%、80%、60%、40%和20%乙醇蒸汽處理和純水蒸氣處理的絲素膜。

1.3 測試方法

1.3.1 掃描電鏡(SEM)觀察

日本日立S-4800型掃描電子顯微鏡觀察SF納米纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)。首先將樣品通過導電雙面膠粘貼在圓形樣品臺上，測試前進行噴金處理，噴金厚度在20～30 nm，測試在溫度20℃，相對濕度65%條件下進行。

1.3.2 紅外分析

美國NicoLET5700型紅外光譜儀(掃描次數(shù)為32次，波數(shù)范圍為4 000～500 cm-1，光譜分辨率為4 cm-1)測定SF分子結(jié)構(gòu);將樣品剪成粉末狀，通過KBr壓片法制成薄餅狀，測試室用氮氣進行吹掃以降低水汽吸收的干擾，然后進行紅外測試。

1.3.3 X-射線衍射分析

荷蘭PAN alytical公司的X'Pert Pro MPD X射線衍射儀(CuKα靶，加速電壓40 kV，電流40 mA，λ=0.154 nm)測試纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，測試前將樣品剪成粉末狀。

1.3.4 DSC 分析

美國TA公司SDT-2960 DSC熱分析儀，測試條件為:室溫 ～300℃，升溫速率2℃/min，氮氣流量50 mL/min，樣品質(zhì)量約2 mg。

2 結(jié)果與分析

2.1 形態(tài)結(jié)構(gòu)

圖1為不同質(zhì)量分數(shù)乙醇水溶液蒸汽處理后的靜電紡SF納米纖維的掃描電鏡圖片。從圖1可以看出，未處理及不同質(zhì)量分數(shù)乙醇處理后的靜電紡SF納米纖維形態(tài)有明顯差異。未處理的靜電紡SF納米纖維表面平整，呈現(xiàn)棒狀，且由于靜電紡絲過程中纖維間的靜電斥力作用，纖維呈交叉分離式排列，纖維之間的空隙較大，纖維膜較為蓬松。99%乙醇蒸汽處理后纖維膜和纖維形態(tài)未發(fā)生明顯變化，說明乙醇蒸汽不會對靜電紡SF納米纖維形態(tài)產(chǎn)生明顯影響。當采用80%乙醇水溶液蒸汽處理時，纖維直徑略有增大，纖維之間緊密貼附在一起，纖維膜不再蓬松。隨著蒸汽中乙醇質(zhì)量分數(shù)的降低，水比例的增加，纖維的變形越加嚴重，纖維直徑增加越來越明顯。當用99%水蒸氣處理時，纖維直徑幾乎增加了1倍，纖維之間相互粘連融合成一片，纖維膜幾乎失去網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。此外，從宏觀來看，靜電紡SF納米纖維膜在后處理過程中會發(fā)生收縮，收縮程度隨含水比例的增加而增大。這說明，純乙醇分子不會引起SF納米纖維形態(tài)發(fā)生明顯變化，而水分子則可以直接滲透到SF納米纖維內(nèi)部引起纖維發(fā)生明顯溶脹或部分溶解［6］，從而造成纖維直徑增大和粘連的發(fā)生。

圖1 不同質(zhì)量分數(shù)乙醇蒸汽處理后靜電紡SF納米纖維膜的SEM圖片F(xiàn)ig.1 SEM images of electrospun SF nanofibers after treatment with ethanol vapor with different mass fractions

2.2 聚集態(tài)結(jié)構(gòu)

圖2 是靜電紡SF納米纖維經(jīng)不同質(zhì)量分數(shù)乙醇蒸汽處理前后的紅外譜圖。未處理樣品的吸收峰主要在1 653、1 543、1 241 cm-1附近，說明該樣品中SF主要為無規(guī)線團或 α-螺旋構(gòu)象［2］。純乙醇蒸汽處理后，樣品紅外吸收峰并未發(fā)生明顯變化，而其他質(zhì)量分數(shù)乙醇后處理則引起樣品吸收峰發(fā)生了明顯的移動。如圖2所示，經(jīng)80%及其以下質(zhì)量分數(shù)乙醇蒸汽處理后，靜電紡SF納米纖維的紅外吸收峰分布在1 631、1 523 cm-1，肩峰1 265 cm-1附近，說明 SF發(fā)生了從無定形或silkⅠ向 β-折疊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變［3］。值得關(guān)注的一點是，純水蒸氣處理后，樣品在酰胺Ⅰ區(qū)的吸收峰為1 631 cm-1和1 653 cm-1兩個并列的峰，說明該處理條件下SF為silkⅠ和silkⅡ兩種并存的構(gòu)象結(jié)構(gòu)［2］。

圖2 不同質(zhì)量分數(shù)乙醇蒸汽處理后靜電紡SF納米纖維的FTIR譜圖Fig.2 FTIR spectra of electrospun SF nanofibers after treatment with ethanol vapor with different mass fractions

圖3 是經(jīng)不同質(zhì)量分數(shù)乙醇蒸汽處理前后靜電紡SF納米纖維的X-衍射曲線。處理前的樣品(a)只有一個較寬泛的衍射峰，峰中心位于22°附近，說明處理前的樣品主要為無定形結(jié)構(gòu)。與紅外譜圖結(jié)果相同，純乙醇蒸汽處理后樣品的X-衍射曲線(b)與處理前幾乎相同，表明純乙醇蒸汽處理沒有明顯改變靜電紡SF納米纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。80%乙醇蒸汽處理后樣品(c)的X-衍射曲線依然較為寬泛，但衍射峰中心移動到21°附近，說明處理過程中SF發(fā)生了一定的結(jié)晶行為。隨著乙醇質(zhì)量分數(shù)進一步的降低，處理后樣品的X-衍射曲線出現(xiàn)了較為突出的結(jié)晶峰。當乙醇質(zhì)量分數(shù)介于60% ～20%時(d、e和f)，樣品的衍射峰主要位于 20.9°、23.4°和 27.2°附近，說明樣品主要為silkⅡ結(jié)晶結(jié)構(gòu)［7］。而當用水蒸氣處理時(曲線 g)，樣品的結(jié)晶峰位于 10.8(Ⅰ)、20.1(Ⅰ)、20.6(Ⅱ)、24.2(Ⅱ)和 26.5(Ⅰ)，表明樣品為 silkⅠ和 silkⅡ并存的結(jié)晶結(jié)構(gòu)［8］，與紅外結(jié)果一致。

圖3 不同質(zhì)量分數(shù)乙醇蒸汽處理后靜電紡SF納米纖維的XRD衍射圖Fig.3 XRD diffraction diagram of electrospun SF nanofibers after treatment with ethanol vapor with different mass fractions

2.3 熱性能

圖4 所示為經(jīng)不同質(zhì)量分數(shù)乙醇蒸汽處理前后靜電紡SF納米纖維的DSC譜圖，主要反映了各樣品的含水揮發(fā)溫度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、結(jié)晶溫度和熱分解溫度［4］。各樣品在48℃附近的吸熱峰正是樣品中所含水分的揮發(fā)所引起的。隨后出現(xiàn)了SF的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg，Tg隨后處理中乙醇含量的降低而升高，從未處理時的177℃升高到純水蒸氣處理后的197℃，表明處理后需要在較高的溫度下才能引起SF大分子的運動，處理中SF大分子的穩(wěn)定性得到了提高。SF大分子的運動為其結(jié)晶提供了方便，Tg之后出現(xiàn)了SF的結(jié)晶峰，位于210℃。從圖4可以看出，結(jié)晶峰僅在樣品a和b的DSC曲線中出現(xiàn)，說明未處理樣品和純乙醇蒸汽處理后SF并未發(fā)生明顯結(jié)晶。相反，含有水分的乙醇后處理及純水后處理可以有效誘導SF發(fā)生從無定形向silkⅠ和silkⅡ轉(zhuǎn)變。最后出現(xiàn)的是SF的熱分解峰，且峰值也是隨著后處理乙醇質(zhì)量分數(shù)含量的降低而升高，從未處理的264℃升高到純水處理后的273℃，說明不同質(zhì)量分數(shù)乙醇蒸汽處理可以提高靜電紡SF納米纖維的熱穩(wěn)定性。

2.4 靜電紡SF納米纖維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變機理

天然蠶絲以silkⅡ結(jié)構(gòu)為主，該結(jié)晶結(jié)構(gòu)內(nèi)肽鏈段排列規(guī)整，呈反平行β-折疊結(jié)構(gòu)，是蠶絲具有優(yōu)異的力學性能和穩(wěn)定性的主要原因。而再生SF支架主要為無定形結(jié)構(gòu)，不僅力學性能差，而且易溶于水。為了提高再生SF支架的水不溶性與力學性能，一般通過后處理誘導其發(fā)生結(jié)晶，醇溶液后處理是最為常用的方法之一。溶脹被認為是醇溶液處理過程SF發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的重要原因。

圖4 不同質(zhì)量分數(shù)乙醇蒸汽處理后靜電紡SF納米纖維的DSC曲線Fig.4 DSC curves of electrospun SF nanofibers after treatment with ethanol vapor with different mass fractions

圖5 不同質(zhì)量分數(shù)乙醇蒸汽處理后靜電紡SF納米纖維的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變示意Fig.5 Schematic diagram of structural transformation of electrospun SF nanofibers after treatment with ethanol vapor with different mass fractions

如圖5所示，靜電紡SF納米纖維內(nèi)部主要為無定形結(jié)構(gòu)。在99%的乙醇蒸汽中處理半小時后，靜電紡SF納米纖維的形態(tài)與結(jié)構(gòu)并未發(fā)生明顯變化，這說明乙醇分子因體積較大難以滲透到纖維內(nèi)部，不能引起纖維溶脹進而發(fā)生結(jié)構(gòu)變化。水分子由于體積很小，因此可以輕易地進入SF納米纖維內(nèi)部的自由空間，破壞分子間的氫鍵，引起纖維溶脹、部分溶解，發(fā)生塌縮，同時促使分子鏈發(fā)生重排與構(gòu)象轉(zhuǎn)變，但由于溶脹程度有限，純水蒸氣處理后最終形成silkⅡ和silkⅠ并存的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。而在20% ～80%的乙醇溶液中，水分子會首先進入SF內(nèi)部自由空間，破壞原有分子間氫鍵，隨后乙醇的進入進一步讓SF發(fā)生溶脹，最終形成以silkⅡ結(jié)構(gòu)為主的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。以上分析說明，靜電紡SF納米纖維結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變受到乙醇水溶液質(zhì)量分數(shù)的影響:純乙醇蒸汽不能誘導SF發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變;純水蒸氣可以直接誘導SF發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，但轉(zhuǎn)變不徹底，形成silkⅡ和silkⅠ并存的結(jié)晶結(jié)構(gòu);乙醇與水的混合蒸汽可以SF從無定形向silkⅡ結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變［9］。

3 結(jié)論

1)SF納米纖維在純乙醇蒸汽中幾乎不發(fā)生任何形態(tài)變化;隨著蒸汽中水分的增加，纖維直徑開始增大，并發(fā)生相互粘連;在純水蒸氣中納米纖維膜發(fā)生劇烈收縮，纖維直徑顯著增加，相互間粘連在一起;

2)SF納米纖維在純乙醇蒸汽中未發(fā)生明顯結(jié)構(gòu)變化，在20% ～80%乙醇中主要形成以silkⅡ結(jié)構(gòu)為主的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，而在水蒸氣中處理則形成了以silkⅡ和silkⅠ并存的結(jié)晶結(jié)構(gòu);

3)純水蒸氣處理中，水分子會滲入到SF納米纖維內(nèi)部引起纖維溶脹，同時促使SF結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，但由于水分子的尺寸較小，引起的溶脹有限，因此最終形成silkⅡ和silkⅠ并存的結(jié)晶結(jié)構(gòu);純乙醇處理由于分子尺寸較大，難以直接深入到SF納米纖維內(nèi)部，因此不會引起SF納米纖維形態(tài)與結(jié)構(gòu)變化;乙醇/水蒸氣處理時，水分子會首先滲入到SF納米纖維內(nèi)部引起纖維溶脹，同時加速乙醇分子的滲入，在水分子與乙醇分子的作用下促進SF發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變形成以silkⅡ結(jié)構(gòu)為主的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

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