高比例角蛋白/PEO納米纖維的有機溶劑法制備與性能表征

李 佳，雷通達(dá)，王永恒，曹福源，劉 雍，范 杰

(1. 遼東學(xué)院 遼寧省功能紡織材料重點實驗室，遼寧 丹東 118001；2. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387；3. 華北理工大學(xué) 冀唐學(xué)院醫(yī)學(xué)實驗中心，河北 唐山063300)

高比例角蛋白/PEO納米纖維的有機溶劑法制備與性能表征

李 佳1,2，雷通達(dá)2，王永恒3，曹福源3，劉 雍2，范 杰2

(1. 遼東學(xué)院 遼寧省功能紡織材料重點實驗室，遼寧 丹東 118001；2. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387；3. 華北理工大學(xué) 冀唐學(xué)院醫(yī)學(xué)實驗中心，河北 唐山063300)

采用還原法提取人發(fā)角蛋白，將角蛋白與聚環(huán)氧乙烷(PEO)共混溶于堿性有機溶劑中配制紡絲液，靜電紡制備角蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%的角蛋白/PEO共混納米纖維，而后用乙二醇二縮水甘油醚(EGDE)蒸氣對納米纖維進(jìn)行交聯(lián)處理，以提高其在水中的穩(wěn)定性.采用掃描電子顯微鏡、傅里葉變換紅外光譜、X射線衍射光譜、熱重分析等方法對納米纖維的形貌及結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試.研究結(jié)果表明，采用有機溶劑作為紡絲溶劑可在堿性條件下制備出形貌特征良好的高比例角蛋白/PEO共混納米纖維，交聯(lián)處理能夠提高共混納米纖維的耐水性和結(jié)晶度，但對共混納米纖維的形貌和熱穩(wěn)定性略有影響.

靜電紡絲； 角蛋白； 聚環(huán)氧乙烷(PEO)； 有機溶劑； 交聯(lián)

角蛋白是一種來源豐富、應(yīng)用價值高的生物蛋白，主要存在動物毛發(fā)、羽毛和蹄中.角蛋白具有獨特的生物相容性、低免疫排異性以及生物降解性等特性，是一種具有良好應(yīng)用前景的生物醫(yī)用材料，可與其他生物相容性高分子材料共混后制備醫(yī)用敷料和生物支架材料[1-4].角蛋白的再生利用對新型生物材料的研發(fā)具有實際意義.

目前，國內(nèi)外研究報道的提取角蛋白的方法主要有：氧化法、還原法、堿性法、銅氨溶液法和金屬鹽法等.其中，采用還原法獲得的角蛋白提取率較高，且對角蛋白主鏈的破壞最小[5].

角蛋白力學(xué)性能差，無法單獨紡絲.文獻(xiàn)[6]以水為溶劑，將角蛋白與聚環(huán)氧乙烷(PEO)共混以提高角蛋白的可紡性能，但靜電紡絲獲得角蛋白/PEO最佳質(zhì)量比僅為70∶30的納米纖維.文獻(xiàn)[7]采用乙二醇二縮水甘油醚(EGDE)對角蛋白進(jìn)行交聯(lián)處理以提高角蛋白的可紡性，以水為溶劑制備出角蛋白/PEO質(zhì)量比為90∶10，且絲條光滑的靜電紡納米纖維，這在很大程度上提高了共混纖維中活性組分的質(zhì)量比例，并通過后交聯(lián)的方法提高了納米纖維在水中的穩(wěn)定性，但以水為溶劑進(jìn)行紡絲時再進(jìn)一步提高角蛋白的含量還是存在較大難度.文獻(xiàn)[8]以三氟乙醇為溶劑，將碘乙酸改性角蛋白與PEO共混，靜電紡制備出角蛋白/PEO質(zhì)量比為90∶10的納米纖維膜，但碘乙酸改性角蛋白成本較高，且共混纖維中的角蛋白含量也難以提升.

本文采用堿性三氟乙醇為溶劑，利用靜電紡絲技術(shù)制備角蛋白/PEO質(zhì)量比為95∶5的共混納米纖維膜，并通過EGDE蒸氣交聯(lián)后處理，提高納米纖維膜的耐水性，并利用掃描電子顯微鏡、熱重分析、傅里葉變換紅外光譜、X射線衍射光譜對角蛋白/PEO共混納米纖維的形態(tài)以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試分析.

1 試驗部分

1.1 試驗材料

人發(fā)纖維(理發(fā)店隨機取樣)；PEO(40 kDa，上海聯(lián)勝化工有限公司 )；85%石油醚(天津市贏達(dá)稀貴化學(xué)試劑廠)；尿素(AR級，天津光復(fù)科技發(fā)展有限公司)，十二烷基硫酸鈉(AR級，天津光復(fù)精細(xì)化工研究所)；偏重亞硫酸鈉(AR級，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)；EGDE(99.5%，徐州惠盛電子材料有限公司)；NaOH(天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司)；三氟乙醇(99.5%，薩恩化學(xué)技術(shù)有限公司).

1.2 試驗方法

1.2.1 人發(fā)角蛋白粉末的提取

(1) 人發(fā)預(yù)處理.將人發(fā)纖維用石油醚溶劑洗滌3次(15 min/次)、蒸餾水反復(fù)清洗后室溫晾干，剪斷為5 mm左右纖維段備用.

(2) 人發(fā)角蛋白粉末提取.稱取6 g人發(fā)纖維，放入250 mL三頸瓶中，加入由尿素(80 g)、十二烷基硫酸鈉(2 g)、偏重亞硫酸鈉(10 g)、蒸餾水(106 g)配制的溶解液中，在水浴溫度為95 ℃條件下攪拌4 h，經(jīng)100目篩網(wǎng)過濾，去除未溶解人發(fā)，而后用蒸餾水透析3 d，每12 h換水一次，透析后分別經(jīng)400和800目篩網(wǎng)過濾后，經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)干燥器濃縮(60 ℃)后得到角蛋白溶液，再經(jīng)真空冷凍干燥(24 h)獲得人發(fā)角蛋白粉末.

1.2.2 高比例角蛋白/PEO納米纖維的制備

(1) 角蛋白/PEO共混紡絲液的配制.在室溫條件下，稱取一定量角蛋白粉末溶于蒸餾水中，攪拌溶解后加入一定量的三氟乙醇(99.5%)和NaOH粉末，攪拌溶解后按照角蛋白/PEO質(zhì)量比為95∶5稱取定量PEO粉末加入到上述溶液中，室溫攪拌溶解并脫泡后，制備不同溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的角蛋白/PEO共混紡絲溶液，具體配制如表1所示.

表 1 角蛋白/PEO共混紡絲液配制

(2) 角蛋白/PEO納米纖維的制備.將表1所示不同溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的角蛋白/PEO共混紡絲液分別吸入帶有金屬針頭的5 mL注射器內(nèi)，并將注射器固定在微量注射推力泵上，與高壓電源正極相連，將接收裝置覆蓋鋁箔并與地線連接.紡絲液在電場力的作用下形成射流，射流在噴射過程中溶劑揮發(fā)、固化沉積在鋁箔上，形成高比例角蛋白/PEO納米纖維.靜電紡絲條件：外加電壓為10 kV，接收距離為15 cm，注射速度為0.5 mL/h.

(3) 角蛋白/PEO納米纖維的蒸氣交聯(lián)后處理.稱取5 mL 純EGDE溶液滴入直徑為9 cm的培養(yǎng)皿中，并在培養(yǎng)皿上覆蓋一層金屬網(wǎng)，將角蛋白/PEO納米纖維膜(5 cm×5 cm)置于金屬網(wǎng)上，蓋上培養(yǎng)皿蓋，80 ℃蒸氣交聯(lián)處理12 h.

1.3 測試方法

1.3.1 掃描電子顯微鏡觀察

采用TM-1000型掃描電子顯微鏡(SEM，日本日立公司)觀察EGDE蒸氣交聯(lián)前后的角蛋白/PEO納米纖維形態(tài)結(jié)構(gòu).

1.3.2 水接觸角測試

采用JY-80型接觸角測試儀(河北承德試驗機有限責(zé)任公司)測試EGDE蒸氣交聯(lián)前后角蛋白/PEO納米纖維膜的耐水性.將各個樣品(2 cm×2 cm)置于玻璃片上，在室溫和相對濕度為(65±2)%條件下進(jìn)行測試.

1.3.3 傅里葉變換紅外光譜分析

采用TENSOR 37型紅外線光譜分析儀(德國BRUKER公司)測試EGDE蒸氣交聯(lián)前后角蛋白/PEO納米纖維的分子結(jié)構(gòu)，測量波數(shù)范圍為400～4 000 cm-1.

1.3.4 熱重分析

采用STA409PC型熱重分析儀(德國NETZSCH公司)測試EGDE蒸氣交聯(lián)前后角蛋白/PEO納米纖維的熱穩(wěn)定性能，升溫速度為10 ℃/min，測試溫度為40～600 ℃.

1.3.5 X射線衍射光譜分析

采用D8DISCOVER型X射線衍射光譜儀(美國BRUKER AXS)測試經(jīng)EGDE蒸氣交聯(lián)前后角蛋白/PEO納米纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu).測試條件：氮氣保護(hù)條件下，Cu靶(λ=0.154 6 nm)，2θ掃描范圍為5°～40°，操作電壓為40 kV，電流為40 mA.

2 結(jié)果與討論

2.1 角蛋白/PEO納米纖維表面形態(tài)

角蛋白/PEO質(zhì)量比為95∶5，紡絲液中溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%，3%，5%的靜電紡絲角蛋白/PEO納米纖維表面形態(tài)，如圖1(a)～(c)所示.在80 ℃條件下，利用EGDE對紡絲液中溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的角蛋白/PEO納米纖維膜進(jìn)行蒸氣交聯(lián)，獲得納米纖維表面形態(tài)如圖1(d)所示.

(a) 溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%

(c) 溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%

(d) EGDE蒸氣交聯(lián)

由圖1 (a)可知，當(dāng)紡絲液的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時，獲得的角蛋白/PEO納米纖維直徑較小，粗細(xì)較均勻，但纖維表面有較多珠節(jié)，這是由于溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低所致.增大角蛋白/PEO共混紡絲液的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)至3%時，獲得的角蛋白/PEO納米纖維形貌良好，纖維粗細(xì)均勻且表面光滑，以及無珠節(jié)(如圖1 (b)所示).繼續(xù)增大共混紡絲液的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)至5%時，獲得的角蛋白/PEO納米纖維粗細(xì)不勻，這可能是由于紡絲液溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高所致(如圖1 (c)所示).由此可見，當(dāng)紡絲液的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時，獲得的角蛋白/PEO納米纖維形貌最佳.經(jīng)EGDE蒸氣交聯(lián)后的納米纖維表面出現(xiàn)明顯溶脹現(xiàn)象，纖維之間發(fā)生明顯粘連(如圖1 (d)所示)，這是由于交聯(lián)過程中分子熱運動變強，纖維軟化，流動性增加所致.

2.2 角蛋白/PEO納米纖維膜耐水性

利用接觸角測量儀對經(jīng)EGDE蒸氣交聯(lián)處理前后的角蛋白/PEO納米纖維膜進(jìn)行水接觸角測試，測試結(jié)果如圖2所示.

(a) 未交聯(lián)

(b) 經(jīng)EGDE蒸氣交聯(lián)處理

由圖2可知，未經(jīng)EGDE蒸氣交聯(lián)處理的角蛋白/PEO納米纖維膜的水接觸角接近0°，經(jīng)EGDE蒸氣交聯(lián)處理的角蛋白/PEO納米纖維膜的水接觸角升至53°，由此說明EGDE蒸氣交聯(lián)有助于改善角蛋白/PEO納米纖維膜在水中的穩(wěn)定性.

2.3 傅里葉變換紅外光譜分析

(a) 未交聯(lián)

(b) 經(jīng)EGDE蒸氣交聯(lián)處理

角蛋白/PEO納米纖維β折疊結(jié)構(gòu)α螺旋結(jié)構(gòu)特征吸收峰波數(shù)/cm-1峰高/%含量/%特征吸收峰波數(shù)/cm-1峰高/%含量/%未交聯(lián)162012．726．6165022．951．8經(jīng)EGDE蒸氣交聯(lián)處理162712．421．5165121．545．5

由表2可知，與未交聯(lián)角蛋白/PEO納米纖維相比，經(jīng)EGDE蒸氣交聯(lián)后的角蛋白/PEO納米纖維對應(yīng)于β-折疊結(jié)構(gòu)和α-螺旋結(jié)構(gòu)的特征吸收峰向高波數(shù)方向移動，且角蛋白β-折疊結(jié)構(gòu)和α-螺旋結(jié)構(gòu)的含量略有降低，這表明EGDE蒸氣交聯(lián)處理對角蛋白的β-折疊結(jié)構(gòu)和α-螺旋結(jié)構(gòu)可能具有一定的破壞作用.

文獻(xiàn)[9-10]研究表明，PEO的C—O—C伸縮振動吸收峰出現(xiàn)在1 094 cm-1處，當(dāng)PEO與角蛋白混合，且混合物中角蛋白含量達(dá)到60%時，C—O—C吸收峰會移動到1 102 cm-1處.經(jīng)EGDE蒸氣交聯(lián)處理前后的角蛋白/PEO納米纖維的紅外光譜在1 000～1 300 cm-1的放大圖如圖4所示.由圖4可知，曲線a位于1 099 cm-1處的吸收峰是對應(yīng)于PEO的C—O—C吸收峰，經(jīng)EGDE蒸氣交聯(lián)處理后，該吸收峰向高波數(shù)偏移至1 112 cm-1處(見曲線b).這主要是由于EGDE中的環(huán)氧基團發(fā)生開環(huán)反應(yīng)所致，表明EGDE與人發(fā)角蛋白發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng).

圖4 角蛋白/PEO納米纖維紅外光譜在 1 000～1 300 cm-1波段放大圖Fig.4 Spectra (1 000-1 300 cm-1) of the keratin/PEO blend nanofiber

此外，圖4中位于854和913 cm-1的吸收峰是對應(yīng)于EGDE環(huán)氧基團的特征吸收峰[11]，與未交聯(lián)的角蛋白/PEO納米纖維紅外光譜相比，交聯(lián)處理后納米纖維的紅外圖譜中該兩處吸收峰未發(fā)生明顯的強度變化，這表明EGDE與角蛋白充分發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，反應(yīng)后無EGDE殘留.

2.4 熱重分析

對經(jīng)EGDE蒸氣交聯(lián)前后的角蛋白/PEO納米纖維進(jìn)行熱重分析，結(jié)果如圖5所示.由圖5可知，交聯(lián)處理后納米纖維的熱穩(wěn)定性有所下降.角蛋白/PEO納米纖維的失重過程可分為4個階段，如表3所示.

圖5 角蛋白/PEO納米纖維的TG圖譜Fig.5 The TG curves of the keratin/PEO blend nanofiber

第1階段為失重率最小的階段，發(fā)生在112℃以下，兩種試樣均出現(xiàn)微量失重現(xiàn)象，失重率小于5%，這是由于試樣中水分子氣化吸熱所致.第2階段，EGDE蒸氣交聯(lián)的角蛋白/PEO納米纖維失重溫度為100～235 ℃，未交聯(lián)角蛋白/PEO納米纖維失重溫度為112～259 ℃，該階段的失重是因為角蛋白α-螺旋結(jié)構(gòu)熔融所致[12].第3階段，EGDE蒸氣交聯(lián)角蛋白/PEO納米纖維失重溫度在235～368 ℃，最大失重率時溫度為253 ℃，未交聯(lián)角蛋白/PEO納米纖維的失重溫度為259～385 ℃，最大失重率時溫度為304 ℃，該階段失重主要是由于角蛋白碳鏈降解所致.第4階段失重是由于角蛋白/PEO納米纖維的熱分解所致.角蛋白/PEO納米纖維經(jīng)EGDE蒸氣交聯(lián)處理后，α-螺旋結(jié)構(gòu)和β-折疊結(jié)構(gòu)含量降低，導(dǎo)致其開始快速失重的溫度有所下降.

表3 經(jīng)EGDE蒸氣交聯(lián)前后角蛋白/PEO納米纖維的失重溫度范圍和失重率

2.5 X射線衍射光譜分析

采用X射線衍射光譜對經(jīng)EGDE蒸氣交聯(lián)前后角蛋白/PEO納米纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示.由圖6可知，兩試樣的X衍射圖譜上角蛋白位于2θ=10°的α-螺旋特征衍射峰較為微弱.經(jīng)EGDE蒸氣交聯(lián)的角蛋白/PEO納米纖維的X衍射圖譜在2θ=5°和7°處出現(xiàn)兩個明顯的衍射峰，此外該圖譜還出現(xiàn)了多處小的結(jié)晶峰. 這表明EGDE交聯(lián)處理對角蛋白/PEO納米纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較為明顯的影響，交聯(lián)劑與角蛋白之間的開環(huán)交聯(lián)反應(yīng)形成了新的結(jié)晶.

圖6 經(jīng)EGDE蒸氣交聯(lián)前后角蛋白/PEO納米纖維的X射線衍射圖譜Fig.6 X-ray diffraction curves of the keratin/PEO blend nanofiber before and after crosslinked by EGDE

通過高斯函數(shù)對角蛋白/PEO納米纖維的X衍射圖譜進(jìn)行分峰處理，結(jié)果如圖7所示.由圖7可知，位于2θ=20°處范圍較寬的峰為非晶峰，位于2θ=10°和20°處的衍射峰分別對應(yīng)于角蛋白的α-螺旋結(jié)構(gòu)和β-折疊結(jié)構(gòu)[13-14]，計算得到試樣的結(jié)晶度如表4所示.

(a)未交聯(lián)

(b) 經(jīng)EGDE蒸氣交聯(lián)處理

角蛋白/PEO納米纖維總結(jié)晶度/%α螺旋結(jié)構(gòu)β折疊結(jié)構(gòu)結(jié)晶度/%占總結(jié)晶百分比/%結(jié)晶度/%占總結(jié)晶百分比/%未交聯(lián)22731421經(jīng)EGDE蒸氣交聯(lián)處理3131215

由表4可知，未交聯(lián)角蛋白/PEO納米纖維結(jié)晶度低于EGDE蒸氣交聯(lián)處理角蛋白/PEO納米纖維結(jié)晶度，但EGDE蒸氣交聯(lián)后的角蛋白/PEO納米纖維中角蛋白的α-螺旋結(jié)構(gòu)和β-折疊結(jié)構(gòu)結(jié)晶度以及兩種結(jié)構(gòu)所占總結(jié)晶的百分比均減少.這表明經(jīng)EGDE蒸氣交聯(lián)處理對角蛋白的α-螺旋結(jié)構(gòu)和β-折疊結(jié)構(gòu)具有明顯的破壞作用，與紅外測試結(jié)果相符.

3 結(jié) 語

本文采用還原法提取人發(fā)角蛋白，以堿性三氟乙醇為紡絲溶劑，成功制備高比例角蛋白/PEO靜電紡納米纖維，角蛋白/PEO質(zhì)量比為95∶5，纖維粗細(xì)均勻且表面光滑.研究表明，以EGDE為交聯(lián)劑對角蛋白/PEO納米纖維膜進(jìn)行蒸氣交聯(lián)處理，能夠改善納米纖維的耐水性和結(jié)晶度，有助于提高角蛋白/PEO納米纖維的應(yīng)用性能，但EGDE與角蛋白的交聯(lián)反應(yīng)會破壞角蛋白的α-螺旋結(jié)構(gòu)和β-折疊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致角蛋白/PEO納米纖維的熱穩(wěn)定性略有下降.

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Preparation and Characterization of High-Content Keratin/PEO Nanofiber Using Organic Solvent

LIJia1,2,LEITong-da2,WANGYong-heng3,CAOFu-yuan3,LIUYong2,FANJie2

(1. Liaoning Provincial Key Laboratory of Functional Textile Materials,Eastern Liaoning University, Dandong 118001, China;2. School of Textiles, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China;3. Medical Experimental Center, Jitang College, North China University of Science and Technology, Tangshan 063300, China)

Reduction method is employed to extract keratin from human hair. Then the extracted keratin and poly (ethylene oxide)(PEO) are blended and dissolved in the basic organic solvent to prepare the keratin/PEO blend electrospun nanofiber with the keratin mass fraction of 95%. The prepared nanofiber is subsequently crosslinked by ethylene glycol diglycidyl ether (EGDE) to improve its stability in water. Morphology and configuration of the blend nanofiber are tested using scanning electron microscope, Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray diffraction and thermogravimetric analysis. The investigation results suggest that the keratin/PEO blend nanofiber with high keratin content and excellent morphology features can be successfully prepared by using basic organic solvent under alkaline condition. The crosslinking post processing can improve the water tolerance and crystallinity of the blend nanofiber, but has slight influence on the morphology and heat stability of the blend nanofiber.

electrospun; keratin; poly (ethylene oxide)(PEO); organic solvent; corsslinking

1671-0444 (2016)06--

2015-08-31

國家自然科學(xué)基金面上資助項目(51573133)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃資助項目(NCET-12-1063)；國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練資助項目(201510058056)；全國優(yōu)博作者專項基金資助項目(201255)；天津市自然科學(xué)基金面上資助項目(14JCYBJC17600)

李 佳(1987—)，女，吉林長春人，碩士，研究方向為天然蛋白質(zhì)納米纖維的制備及性能. E-mail: 407031195@qq.com 范 杰(聯(lián)系人)，女，副教授，E-mail: fanjie@tjpu.edu.cn

TS 101.4

A