氯化鈣-甲酸溶解體系再生絲素長絲的制備及其性能

吳惠英，左保齊

(1.蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215006；3.現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室(蘇州)，江蘇 蘇州 215123)

氯化鈣-甲酸溶解體系再生絲素長絲的制備及其性能

吳惠英1,2，左保齊2,3

(1.蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215006；3.現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室(蘇州)，江蘇 蘇州 215123)

為改善再生絲素長絲力學(xué)性能差的問題，選用氯化鈣-甲酸溶解體系獲得絲素溶液并采用濕法紡絲技術(shù)制備再生絲素長絲。研究結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的三元溶劑溶解絲素至分子水平有所不同，氯化鈣-甲酸可在常溫條件下溶解蠶絲，更重要的是在溶解過程中保留了原纖結(jié)構(gòu)，在牽伸作用下再生絲素長絲的斷裂應(yīng)力較傳統(tǒng)溶解方法提高了近1倍，纖維表面均勻光滑，在放線菌蛋白酶溶液中表現(xiàn)出相對緩慢的降解速度。該方法工藝簡單，環(huán)境友好、高效，并可實現(xiàn)再生絲素長絲的連續(xù)制備。

氯化鈣-甲酸；絲素；濕法紡絲；原纖結(jié)構(gòu)；性能

近年來國內(nèi)外學(xué)者對絲素獨特氨基酸成分及結(jié)晶結(jié)構(gòu)等理化性質(zhì)研究不斷深入，從多用途開發(fā)到高新技術(shù)的相互滲透，目前對絲素的應(yīng)用已從傳統(tǒng)紡織領(lǐng)域向生物醫(yī)藥等領(lǐng)域逐漸滲透和拓展。再生絲素材料具有無毒、無刺激性、可降解以及良好的生物相容性[1-4]，成為組織工程領(lǐng)域的常用材料。然而再生絲素材料的力學(xué)性質(zhì)一直很難提高，表現(xiàn)出柔韌性差、斷裂強力低等問題，究其原因認為，絲素在溶解過程中溶劑對其結(jié)構(gòu)造成破壞，如傳統(tǒng)溶解方法(如三元溶劑)將蠶絲溶解到分子水平，對絲素結(jié)構(gòu)的破壞較為嚴重，使再生絲素材料的力學(xué)性能很難提高，與天然蠶絲的力學(xué)性能相差甚遠[5]。因此探討對絲素破壞小的溶解方法對制備再生絲素材料至關(guān)重要。

本文采用氯化鈣-甲酸(CaCl2-FA)溶解體系溶解脫膠蠶絲，探討該溶解體系獲得的再生絲素溶液的形態(tài)，再采用對環(huán)境友好、流程短、成本低的自透析濕法紡絲技術(shù)并以水為凝固浴制備再生絲素長絲，測試長絲的相關(guān)性能。通過SEM表征再生絲素溶液及再生絲素長絲的形態(tài)，采用紅外光譜以及X射線衍射測試表征再生絲素長絲的二級結(jié)構(gòu)，并測試再生絲素長絲在不同拉伸倍數(shù)下的力學(xué)性能，討論CaCl2-FA溶解體系獲得的再生絲素溶液結(jié)構(gòu)與長絲力學(xué)性能的關(guān)系，以放線菌蛋白酶溶液測試討論再生絲素長絲的降解性。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

桑蠶絲(湖州新天絲生物技術(shù)有限公司)，碳酸鈉(Na2CO3，上海試劑總廠)，氯化鈣(CaCl2，上海試劑總廠)，甲酸(江蘇強盛化工有限公司)，磷酸緩沖溶液(PBS，上海試劑總廠)，放線菌蛋白酶(Actinomycetes Protease，Sigma公司)。

測試儀器： Hitachi S-570型掃描電鏡(日本Hitachi Limited)；Nicolet 5700智能型傅里葉紅外光譜儀(美國Thermo Nicolet Corporation)；X′Pert Pro MPD型 X射線衍射儀(荷蘭PAN alytical 公司)；DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(鞏義市英峪予華儀器廠)。

1.2 再生絲素長絲的制備

1.2.1 脫膠過程

將天然桑蠶絲用0.05%的Na2CO3溶液按1∶20的浴比沸煮脫膠30 min，反復(fù)進行3次，每次脫膠后用60 ℃的去離子水清洗，放在60 ℃下的烘箱里烘干即為脫膠蠶絲。

1.2.2 紡絲溶液的制備

分別將脫膠蠶絲在2種溶解體系下溶解，將脫膠桑蠶絲溶于CaCl2質(zhì)量分數(shù)為5%的CaCl2-FA溶解體系中制備質(zhì)量分數(shù)為15%的再生絲素溶液，溶解時間約為2 h，該絲素溶液可直接進行濕法紡絲。采用CaCl2-C2H5OH-H2O三元溶液溶解絲素，在75～80 ℃的恒溫水浴條件下攪拌4～5 h，獲得質(zhì)量分數(shù)為2%再生絲素溶液，經(jīng)去離子水透析后，在室溫條件下成膜，將絲素膜與六氟異丙醇(HFIP) 按一定比例混合濃縮后，得到質(zhì)量分數(shù)為15%的溶液進行濕法紡絲。與常用CaCl2-C2H5OH-H2O三元溶液溶解絲素的方法相比，采用CaCl2-FA溶解體系制備紡絲溶液流程短，效率高。

1.2.3 濕法紡絲過程

本文采用自制的濕法紡絲裝置進行再生絲素長絲的制備，濕法紡絲裝置示意圖如圖1所示。水作為凝固浴，凝固槽長度為1.5 m，紡絲壓力為0.1 MPa，采用MT-Ⅲ型009-300-S-D脈動無級變速器進行長絲卷繞。分別采用CaCl2-FA和CaCl2-C2H5OH-H2O溶解體系進行絲素的溶解制備不同再生絲素溶液，其中CaCl2-FA溶解體系制備得到的再生絲素溶液在常溫下具有良好的流動性，在室溫條件下即可進行紡絲，紡絲速率為5 mL/h，卷繞速率為10 r/min。而CaCl2-C2H5OH-H2O溶解體系獲得的紡絲液紡絲速率較低，紡絲速率只能設(shè)置在1～2 mL/h 才能保證正常紡絲。分別將2種溶解體系得到的再生絲素長絲命名為SF-CaCl2-FA和SF-CaCl2-C2H5OH-H2O。

注：A— 計量泵; B— 紡絲液; C— 凝固浴; D— 卷繞輥。圖1 自制濕法紡絲裝置示間圖Fig.1 Schematic of custom-made wet-spinning device

1.3 形貌與性能測試

1.3.1 溶液形形態(tài)觀察

利用Hitachi S-570型掃描電子顯微鏡觀察溶液形態(tài)，將溶解得到的絲素溶液稀釋至質(zhì)量分數(shù)低于0.001%，用移液器將1 μL稀釋后溶液懸涂在新鮮硅片的表面，然后用氮氣迅速吹干，備用。測試前將涂有絲素溶液的干燥硅片、纖維進行噴金處理，噴金厚度在20～30 nm之間。

1.3.2 紅外光譜分析

利用美國NicoLet5700型紅外光譜儀(掃描次數(shù)為32，波數(shù)范圍為4 000～500 cm-1，光譜分辨率為4 cm-1)測定材料的二級結(jié)構(gòu)，測試前將絲素纖維剪成粉末，KBr壓片法制成薄餅狀進行測試。

1.3.3 X射線衍射分析

利用荷蘭PAN alytical 公司的X′Pert Pro MPD X射線衍射儀(CuKα靶，加速電壓為40 kV，電流為40 mA，λ=0.154 nm)測試材料的二級結(jié)構(gòu)，測試前將絲素纖維剪成粉末狀。

1.3.4 力學(xué)性能測試

利用美國Instron3365型萬能材料試驗機對再生絲素長絲進行拉伸力學(xué)性能測試。測試參數(shù)設(shè)置為：測試夾距10 mm，拉伸速率10 mm/min，初始張力0.2 cN，強力與伸長的精度分別為0.01 cN和0.01 mm，測試溫度25 ℃，相對濕度(50±5)%，每類樣品測試根數(shù)為20根。

1.3.5 降解性能測試

將放線菌蛋白酶溶解在0.05 mol/L(pH=7.4)的PBS溶液中配制5 U/mL的放線菌蛋白酶溶液。降解過程中每隔2 h取出樣品，并補充用酶溶液，體外降解實驗持續(xù)12 h。取出的樣品在蒸餾水中浸泡1 d并反復(fù)清洗，在室溫條件下干燥，備用。

2 結(jié)果與分析

2.1 再生絲素溶液的形態(tài)觀察

實驗過程中采用2種溶劑對絲素進行溶解，采用傳統(tǒng)的CaCl2-C2H5OH-H2O三元溶液溶解絲素需要在75～80 ℃的恒溫水浴條件下攪拌4～5 h。溶解過程中溶劑將蠶絲溶解到分子水平，氫鍵被破壞，同時會伴隨著分子質(zhì)量的下降、結(jié)晶結(jié)構(gòu)的破壞[6-7]，該溶解方式導(dǎo)致再生絲素材料力學(xué)性能變差，嚴重影響到再生絲素材料的應(yīng)用范圍[8-9]。

圖2 CaCl2-FA溶解體系下絲素溶液形貌態(tài)(×5 000)Fig.2 Morphology of SF solutions prepared by CaCl2-FA dissolved system (×5 000)

而采用CaCl2-FA溶解體系所得的再生絲素溶液中可清晰觀察到有絲素原纖結(jié)構(gòu)，如圖2所示。而且絲素溶液中的原纖結(jié)構(gòu)直徑和長度不同，原纖結(jié)構(gòu)在天然蠶絲的優(yōu)異力學(xué)性質(zhì)中的貢獻較大，因此推斷CaCl2-FA溶解體系獲得的絲素溶液中的原纖結(jié)構(gòu)可對高性能再生絲素長絲的制備提供條件。

2.2 再生絲素長絲的表面形貌觀察

濕法紡絲制備長絲的過程實質(zhì)為雙擴散過程，當(dāng)紡絲液進入凝固浴時，紡絲溶液內(nèi)部的溶劑和凝固劑雙向擴散，在相分離過程中實現(xiàn)長絲內(nèi)部鹽、酸的析出，纖維表面易出現(xiàn)微孔[10]。同時當(dāng)初生纖維經(jīng)過沿纖維長度方向的外力拉伸作用時，纖維表面未完全固化的蜂窩狀結(jié)構(gòu)沿受力方向逐漸變形，直至形成致密的結(jié)構(gòu)。將初生纖維處理后經(jīng)過3倍拉伸后的纖維表面形貌如圖3所示。

圖3 不同溶解體系下再生絲素長絲的表面形貌(×5 000)Fig.3 Morphologies of regenerated SF filaments prepared by different dissolved system(×5 000)

采用CaCl2-FA溶解體系制備得到的再生絲素長絲表面較為光滑，粗細均勻，更重要的是可連續(xù)進行紡絲并收集至卷繞筒上；而采用CaCl2-C2H5OH-H2O溶解體系制備得到的再生絲素長絲的纖維縱向出現(xiàn)明顯溝槽，且纖維表面有大小不一的顆粒狀，在紡絲過程中經(jīng)常會出現(xiàn)斷頭，很難進行連續(xù)化紡絲。因此分析可知，CaCl2-FA溶解體系絲素溶液中保留的原纖結(jié)構(gòu)在再生絲素長絲中也可清晰觀察到，說明在濕法紡絲過程中，絲素溶液中的原纖結(jié)構(gòu)經(jīng)過紡絲又重新組裝，該結(jié)構(gòu)保證了長絲的順利進行。而CaCl2-C2H5OH-H2O制備的長絲易斷可能就是因為該溶解體系將絲素溶解至分子水平所導(dǎo)致。

2.3 再生絲素長絲的二級結(jié)構(gòu)表征

紅外光譜測試是研究絲素二級結(jié)構(gòu)普遍采用的一種方法，被用于定性表征絲素分子構(gòu)象的轉(zhuǎn)變。2種溶解體系制備的再生絲素長絲的紅外光譜圖如圖4所示。由圖4(a)可知，SF-CaCl2-FA的主要吸收峰出現(xiàn)在1 625、1 526、1 235 cm-1附近，均歸屬于β折疊構(gòu)象，SF-CaCl2-C2H5OH-H2O的吸收峰位置與SF-CaCl2-FA相似，分別是1 623、1 526 cm-1和1 235 cm-1，歸屬于β折疊構(gòu)象[11]，相對來說SF-CaCl2-FA的紅外光譜曲線峰值位置更尖銳。為進一步表征再生絲素長絲的二級結(jié)構(gòu)，本文還進行了X射線衍射測試，2種長絲的主要衍射峰出現(xiàn)在8.7°、20.1°、23.9°和24.6°，均為silkⅡ結(jié)構(gòu)[12]，2種測試結(jié)果驗證了再生絲素長絲的結(jié)構(gòu)為β折疊構(gòu)象。

2.4 再生絲素長絲的力學(xué)性能分析

分別將2種溶解體系制備的再生絲素長絲進行不同倍數(shù)的拉伸以提高長絲的力學(xué)性能，結(jié)果如表1所示。紡絲液內(nèi)部高分子鏈的高度纏結(jié)，初生纖維脆性較大，拉伸過程可降低絲素內(nèi)部分子鏈的纏結(jié)程度，增加了分子鏈的規(guī)整性和取向度[13]，因此采用后拉伸的方式可有效提高纖維的力學(xué)性能。在2種溶解體系獲得的再生絲素長絲的力學(xué)性能表現(xiàn)出明顯差異，可看出CaCl2-C2H5OH-H2O制備的長絲纖維直徑細，且該長絲脆，不易拉伸，牽伸3倍后的斷裂應(yīng)力為(88.4 ± 16.2) MPa，斷裂伸長率為(14.8 ±3.8)%。而采用CaCl2-FA制備的長絲表現(xiàn)出較好的可牽伸性，牽伸3倍后的斷裂應(yīng)力達到了(158.4 ± 16.2) MPa，斷裂伸長率為(23.8 ±4.5)%。這也證明了CaCl2-FA溶解體系獲得的絲素溶液中的原纖結(jié)構(gòu)為再生絲素長絲力學(xué)性能的提高提供了條件。

注：a—SF-CaCl2-FA; b—SF-CaCl2-C2H5OH-H2O。圖4 再生絲素長絲的紅外光譜和X射線衍射圖Fig.4 FT-IR (a) and XRD (b) results of regenerated SF filaments

表1 不同倍數(shù)牽伸后再生絲素長絲的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of silk fibroin filaments with varied drawing ratios

2.5 降解后再生絲素長絲的形貌觀察

利用掃描電鏡對不同降解液中降解后的再生絲素長絲形貌進行觀察，結(jié)果如圖5、6所示。2種長絲在蛋白酶降解液中的降解現(xiàn)象有明顯差異。SF-CaCl2-FA長絲在酶溶液降解2 h時，長絲表面基本無明顯變化；降解8 h時，長絲的局部出現(xiàn)毛糙，剝離出部分的微纖；當(dāng)降解至12 h時，表面刻蝕現(xiàn)象明顯，粗糙程度加重，微纖結(jié)構(gòu)覆蓋明顯，但長絲主體仍保持完整清晰。SF-CaCl2-C2H5OH-H2O長絲在蛋白酶降解液中的降解較SF-CaCl2-FA更為明顯。在降解初期2 h時就出現(xiàn)了細小的微纖結(jié)構(gòu)；降解8 h時，長絲的表面出現(xiàn)剝離出的微纖；當(dāng)降解至12 h時，長絲表面被嚴重刻蝕，纖維主體解體，部分細小的微纖降解于降解液中[14]。上述電鏡圖片說明蛋白酶降解液對SF-CaCl2-C2H5OH-H2O的作用比SF-CaCl2-FA更劇烈，也就是說SF-CaCl2-FA性質(zhì)穩(wěn)定，相對SF-CaCl2-C2H5OH-H2O來說在降解液中的降解速度緩慢。

圖5 CaCl2-FA溶解體系再生絲素長絲降解后的SEM照片(×5 000)Fig.5 SEM images of SF filaments prepared by CaCl2-FA dissolved system (×5 000)

圖6 CaCl2-C2H5OH-H2O溶解體系再生絲素長絲降解后的SEM照片(×5 000)Fig.6 SEM images of SF filaments prepared by CaCl2-C2H5OH-H2O dissolved system(×5 000)

3 結(jié) 論

采用CaCl2-FA溶解體系溶解蠶絲、自透析濕法紡絲方法制備再生絲素長絲，并用CaCl2-C2H5OH-H2O溶解體系作對照。結(jié)果表明：CaCl2-FA溶解體系得到的絲素溶液中可觀察到原纖結(jié)構(gòu)，而原纖結(jié)構(gòu)的存在為再生絲素長絲力學(xué)性能的提高提供前提，3倍牽伸后的斷裂應(yīng)力為(158.4 ± 16.2) MPa，斷裂伸長率為(23.8 ±4.5)%，與CaCl2-C2H5OH-H2O制備的長絲力學(xué)性能有較大幅度的提高。此外，CaCl2-FA溶解體系溶解絲素流程短，效率高，制備得到的再生絲素長絲表面光滑、均勻，并可連續(xù)紡絲。紅外光譜和X射線衍射測試結(jié)果表明，再生絲素長絲的結(jié)構(gòu)主要以β折疊構(gòu)象為主，在蛋白酶降解液中的降解速度相對緩慢。

FZXB

[1] TAO Wei,LI Mingzhong,ZHAO Chunxia.Structure and properties of regenerated antheraea pernyi silk fibroin in aqueous solution[J].International Journal of Biological Macromolecules,2007,40: 472-478.

[2] QU J,WANG D,WANG H H,et al.Electrospun silk fibroin nanofibers in different diameters support neurite outgrowth and promote astrocyte migration[J].Journal of Biomedical Materials Research,Part A,2013,101(9): 2667-2678.

[3] HUANG L,LI C,YUAN W J,et al.Strong composite films with layered structures prepared by casting silk fibroin-graphene oxide hydrogels[J].Nanoscale,2013(5)： 3780-3786.

[4] KWEON H,LEE K G,CHAE C H,et al.Development of nano-hydroxyalatite graft with silk fibroin scaffold as a new bone substitute[J].Journal of Oral Maxillofac Surgery,2011,69:1578-1586.

[5] HOSSAIN K S,OHYAMA E,OCHI A,et al.Dilute-solution properties of regenerated silk fibroin[J].Journal of Physical Chemistry B,2003,107:8066-8073.

[6] WANG H Y,ZHANG Y Q.Effect of regeneration of liquid silk fibroin on its structure and characteriza-tion[J].Soft Matter,2013(9):138-145.

[7] PAN H,ZHANG Y P,HANG Y C,et al.Significantly reinforced composite fibers electrospun from silk fibroin/carbon nanotube aqueous solutions[J].Biomacromolecules,2012,13(9): 2859-2867.

[8] WANG Q,CHEN Q,YANG Y,et al.Effect of various dissolution systems on the molecular weight of regenerated silk fibroin[J].Biomacromolecules,2013,14: 285-289.

[9] HOLLAND C,TERRY A E,PORTER D,et al.Natural and unnatural silks[J].Polymer,2007,48: 3388-3392.

[10] 曹惠,左保齊,戴禮興.自透析法再生絲素初生纖維的結(jié)構(gòu)性能分析[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(工科版),2005,25(3):1-5.CAO Hui,ZUO Baoqi,DAI Lixing.Analysis of structure and properties of RSF as-spun fibers obtained by self-dialysis process[J].Journal of Soochow University (Engineering Science Edition),2005,25(3):1-5.

[11] CHEN Xin,SHAO Zhengzhong,MARINKOVIC N S,et al.Conformation transition kinetics of regenerated Bombyx mori silk fibroin film monitored by time-resolved FTIR spectroscopy[J].Biophysical Chemistry,2001,89(1): 25-34.

[12] LI M,WU Z,LU S,et al.Study on porous silk fibroin matrials[J].Journal of Donghua University (Nature Science Edition),2001,27(2): 12-18.

[13] KIM H J,UM I C.Effect of degumming ratio on wet spinning and post drawing performance of regenerated silk[J].International Journal of Biological Macromolecules,2014,67: 387-393.

[14] LI M,OGISO M,MINOURA N.Enzymatic degradation behavior of porous silk fibroin sheets[J].Biomaterials,2003,24 (2): 357-365.

Preparation and properties of regenerated silk fibroin filaments using CaCl2-formid acid system

WU Huiying1,2，ZUO Baoqi2,3

(1.SuzhouInstituteofTrade&Commerce,Suzhou,Jiangsu215009,China;2.CollegeofTextile&ClothingEngineering,SoochowUniversity,Suzhou,Jiangsu215006,China;3.NationalEngineeringLaboratoryforModernSilk(Suzhou),Suzhou,Jiangsu215123,China)

To improve the mechanical properties of the regenerated silk fibroin filaments,CaCl2-formid acid (FA) system was adopted to dissolve degummed silk to obtain silk solution,and regenerated silk fibroin filaments were prepared by wet spinning process.The results indicated that different from that the present dissolved system can dissolve silk to the molecular level,silk fibroin can be dissolved in CaCl2-FA at room temperature,more importantly,which is characterized by preserving the fibrils structure.The breaking stress of the regenerated fibroin was improved nearly by 1 time after stretching,compared with conventional dissolution methods.The surface of silk fibroin filaments was smooth and uniform,and the degradation speed in protease XIV solution was relatively slow.It is a simple,efficient and environmentally friendly method to achieve continuous production of silk fibroin filaments.

CaCl2-formid acid; silk fibroin; wet spinning; fibril; property

10.13475/j.fzxb.20150905106

2015-07-22

2015-11-02

獲獎?wù)f明：本文榮獲中國紡織工程學(xué)會頒發(fā)的第16屆陳維稷優(yōu)秀論文獎

江蘇省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃項目(BK20141207)；蘇州市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃項目(SYG201431)；中國紡織工業(yè)聯(lián)合會科技指導(dǎo)性項目(2015009)；蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然基金項目(KY-ZR1401)

吳惠英(1980—)，女，講師，博士。研究方向為絲蛋白生物材料的應(yīng)用。左保齊，通信作者，E-mail：bqzuo@suda.edu.cn。

TS 141.8

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