氯化鈣/甲酸溶解體系下絲素納米纖維膜的制備及其性能

李曉茹

(青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院，山東 青島266000)

靜電紡絲是一種廣泛使用的纖維成型技術(shù)，通過使用高壓電場可以生產(chǎn)直徑范圍從幾納米到幾微米的聚合物纖維[1]，為其應(yīng)用提供了許多可能性，特別是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如抗菌墊、快速止血貼劑、傷口敷料、藥物輸送系統(tǒng)及組織工程等。

由于SF 良好的生物相容性和再生性能[2-4]，其被認為是一個重要的生物材料，已被研究用于傷口敷料[5-7]。 然而，生產(chǎn)這些SF 材料(如絲素蛋白膜)需要一系列復(fù)雜的處理步驟，因為SF 無法直接獲得，必須提取溶解脫膠絲。 SF 纖維長期以來一直應(yīng)用于紡織、生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，因為它具有較高強度，斷裂伸長率，環(huán)境穩(wěn)定性和生物相容性[8]。 SF 纖維可用于縫合傷口[9]、藥物遞送[10]、血管組織再生[11]、皮膚傷口敷料和骨組織支架[12]等。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

實驗材料如表1 所示

表1 實驗材料

氯化鈣 AR 上海國藥集團化學(xué)試劑有限公司無水乙醇 AR 上海國藥集團化學(xué)試劑有限公司

實驗儀器設(shè)備：精密電子天平，磁力攪拌器，靜電紡絲機，AR2000 流變儀(TA Instruments， America)，Phenom ProX 臺式掃描電子顯微鏡(復(fù)納科學(xué)儀器，上海有限公司)，傅里葉紅外變換光譜儀，HTS-RRD1000 柔軟度測試儀(東莞市中野精科儀器有限公司)，YG461E 數(shù)字式透氣量儀，YS02A 型八籃恒溫烘箱，PSM165 孔徑測試儀。

1.2 SF 紡絲溶液的制備

根據(jù)已發(fā)表的論文[13-14]對繭絲進行脫膠。 常溫下將氯化鈣(CaCl2)(純度99%)溶解在甲酸(FA)(純度98%)溶液中，用攪拌器機械攪拌3 h配置濃度為4% (w/v) FA-CaCl2溶液；然后，將脫膠的繭絲溶解在FA-CaCl2溶液中， 攪拌4 h 得到SF 紡絲液。 用透析袋透析該SF 紡絲液3 天，把處理后的紡絲液倒入培養(yǎng)皿中，室溫下自然干燥成膜。 將SF 膜與FA 再次混合，形成最終的再生SF溶液(其中SF 質(zhì)量分數(shù)分別為3%、5%、10%、15%(w/v))。

圖1 靜電紡絲SF 紡絲溶液的制備

1.3 靜電紡絲制備SF 納米纖維膜

在室溫下，配制再生SF 紡絲液(不同濃度分別為3%、5%、10%、15%、 (w/v))，使用相同的注射器吸收紡絲液，在不同的條件下進行靜電紡絲，如圖2 靜電紡絲裝置示意圖。 研究不同條件對纖維形貌和直徑的影響，并對制得的再生SF 納米纖維膜用體積分數(shù)75 %的酒精溶液進行后處理30min，自然晾干。

圖2 靜電紡絲裝置示意圖

1.3 性能測試與表征

(1)流變性分析

選用流變儀(AR2000，TA Instruments， America)，測試再生絲素溶液的黏度流變性，在頂板下降期間施加在樣品上的法向力限制在0.1N[15]。

(2)掃描電鏡成像

通過掃描電子顯微鏡(SEM)分析再生SF 納米纖維。 通過使用圖像J 分析軟件分析SEM 圖像獲得所有樣品的平均直徑。

(3)紅外光譜分析

采用IRPres-tige-21 紅外光譜儀(Shimaduco，LTD，日本)紅外光譜儀測定靜電紡納米纖維的二級結(jié)構(gòu)。

(4)吸水率分析

利用稱重法來計算，把面積為10 mm×10 mm纖維膜(105 ℃下干燥2 h)，稱重(W1)浸泡在蒸餾水中，使其吸水1h 體積增大至平衡，濾紙吸水，稱重(W2)。 同等處理并控制時間。

吸水率/%＝[(W2- W1)/W1]×100%

(5)透濕性分析：吸濕性能按照國家標準Gt3/T9995.1997 測試，采用YS02A 型八籃恒溫烘箱測定纖維的回潮率。

透濕性/%＝[ΔW / S·H]×108

式中： ΔW 為失重，單位g； S 為透濕面積，單位mm2； H 為2 次稱量的時間間隔，單位h。

2 結(jié)果與討論

2.1 SF 的溶解機理討論

常溫下，SF 具有高結(jié)晶度，難以實現(xiàn)溶解。 到目前為止，脫膠絲纖維已直接溶解在幾種溶劑中，如H3PO4[16]，H3PO4-FA[17]， LiBr[18]， CaCl2-ethanol-H2O，F(xiàn)A-CaCl2[19]等。 這些SF 溶液可以通過不同的制備方法加工成許多不同的材料，如薄膜、支架。 在我們的工作中，我們在室溫下通過FA-CaCl2溶解體系制備絲素納米纖維圖3(a)。

SF 由重(H)鏈(～390 kDa)和輕(L)鏈(～26 kDa)組成。 H 鏈的疏水結(jié)構(gòu)域可以形成β-折疊結(jié)構(gòu)。 L 鏈的氨基酸序列是非重復(fù)的，因此L 鏈更具親水性和相對彈性。 SF 的主要晶體結(jié)構(gòu)是Silk I 和Silk II。 含量少且不穩(wěn)定的Silk III 結(jié)構(gòu)也存在于空氣/水界面處的再生SF 溶液中。 Silk I 結(jié)構(gòu)可以通過處理容易地轉(zhuǎn)化為Silk II。

當SF 溶解在CaCl2-FA 溶液中時纖維形成(圖3(b))。 我們發(fā)現(xiàn)在這種溶劑體系中，SF 纖維被分解成許多納米纖維。 基于氨基酸序列的內(nèi)在特性和體內(nèi)生理影響，SF 分子轉(zhuǎn)化為納米纖維[20]。 然后這些納米纖維聚集成絲纖維。 所得纖維顯示出分層的纖維狀結(jié)構(gòu)，片層與片層之間則是依靠了范德華力的作用彼此結(jié)合[21]，并且還顯示出比天然絲更高的強度和延展性。 利用鹽酸二元系區(qū)別于以前的方法，不需要控制溫度。 常溫條件下，結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞以達到溶解SF 的目的。 SF 在CaCl2-FA 溶解體系中結(jié)構(gòu)變化示意圖如圖3(c)所示。 眾所周知，F(xiàn)A 并不能SF 溶解，CaCl2-FA 溶液(即使在CaCl2濃度較低的情況下)亦可使SF 溶解。 原因是溶解時，F(xiàn)A 使SF 纖維膨脹，降低分子間的相互作用，促進水分子向絲素內(nèi)的滲透，有利于Ca2＋的進入。 分子鏈的溶劑化作用促使蠶絲發(fā)生在分子水平的溶脹，Ca2＋與絲素大分子鏈的酪氨酸、絲氨酸等發(fā)生絡(luò)合，破壞分子間的氫鍵作用，破壞β-折疊結(jié)構(gòu)，而該溶解體系下溶劑的溶脹能力有限，可以破壞絲素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

圖3 SF 纖維在CaCl2-FA 溶解體系中的溶解過程及機理示意圖(a)SF 溶解；(b)SF 纖維形成過程；(c)SF 在CaCl2-FA 溶解體系中結(jié)構(gòu)變化

2.2 SF 溶液流變性分析

流變性質(zhì)對絲素溶液的成形加工及材料性能十分重要[22]。 圖4 顯示了不同質(zhì)量分數(shù)絲素溶液的流變行為。 溶液總體呈現(xiàn)出牛頓流體的特性，基本表現(xiàn)為隨剪切速率的增加黏度先遞增后遞減的趨勢，且溶液間的流變性能差異不大[23]。 該溶液表現(xiàn)出剪切增稠行為，隨后是剪切稀化行為，具有顯著更高的粘度，這類似于天然蠶絲。 同時，溶解在FA-CaCl2 溶液中的脫膠絲也表現(xiàn)出剪切增稠行為，然后在低剪切速率(＜1.0s-1)下剪切稀化。這種現(xiàn)象可能表明剪切導(dǎo)致SF 鏈在溶液中的輕微延伸和相互作用。 在較高的剪切速率(＞10s-1)下，SF 溶液的粘度值呈下降趨勢，SF 大分子鏈在溶液中達到新的平衡，這歸因于SF 分子在溶液中的尺寸和纏結(jié)狀態(tài)。

圖4 不同質(zhì)量分數(shù)絲素溶液的流變曲線

2.3 不同參數(shù)對纖維形貌和直徑的影響

靜電紡絲工藝作為一種獨特的技術(shù)受到了很多關(guān)注，原因是聚合物和加工條件影響納米纖維的直徑。 納米纖維膜可以通過控制參數(shù)，改變纖維直徑，應(yīng)用于再生醫(yī)學(xué)和組織工程領(lǐng)域。

2.3.1 電壓對纖維形貌和直徑的影響

在紡絲液濃度5%、流速5μL/min 及接收距離為10 cm 的條件下，分別在13、15 和18kV 電壓下進行紡絲。 SEM 結(jié)果(圖5)顯示，纖維直徑因為電壓的增大而減小。 電壓是13KV 下(a)的直徑較大，雜亂分布，纏結(jié)明顯，表面粗糙有液滴。 原因是小電壓時，產(chǎn)生較弱電流，纖維間不易分散而導(dǎo)致纏結(jié)。 電壓變強 為15 kV(b)和18 kV(c)時，直徑減小，不再雜亂分布，偏差降低。 原因是高電壓時產(chǎn)生較強的電流，纖維間易分散。 并且，增強電壓后(固定接收距離)導(dǎo)致纖維牽伸。

圖5 不同紡絲電壓(a)13KV(b)15KV(c)18KV 得到的纖維電鏡照片

2.3.2 紡絲液濃度對纖維形貌和直徑的影響

如圖6，在電壓為15 kV、紡絲液流速5μL/min及接收距離為15cm 的條件下，納米纖維直徑因為SF 濃度的增加而變大。 當紡絲液濃度小于5%時，無法成功紡絲，低質(zhì)量分數(shù)絲素溶液的黏度較低，電壓使低濃度紡絲液呈現(xiàn)不連續(xù)液滴形式，當紡絲液濃度為5%時如圖(a)，能獲得平均直徑為200nm 范圍的光滑纖維。 當紡絲液濃度增大到10%時，纖維直徑分別在327nm ～519nm 之間。 隨SF 質(zhì)量分數(shù)的繼續(xù)增大至15%如圖(c)時，SF 大分子鏈在高濃度下會相互作用。 高場強時，纖維易分散，直徑變大。

圖6 不同紡絲液濃度(a)5%(b)10%(c)15%得到的纖維SEM 圖

2.4 紅外光譜分析

紅外光譜分析常用來定量或定性表征絲素分子構(gòu)象的轉(zhuǎn)變，本文制備的絲素納米纖維乙醇處理前后的紅外光譜圖如圖7 所示。 a，b 分別為處理前和水處理后纖維紅外光譜曲線，吸收峰出現(xiàn)在1650cm-1(Amide I)，歸屬于α-螺旋[24]。 圖7-c 為乙醇處理后纖維紅外光譜曲線，主要的特征吸收峰在Amide I 區(qū)發(fā)生了位置遷移，出現(xiàn)在1628cm-1，歸屬于β-折疊。 在1628cm-1(酰胺I)，1520cm-1(酰胺II)，1227cm-1(酰胺III)和530cm-1(酰胺V)的特征峰，具有β-折疊取向和無規(guī)卷曲構(gòu)象結(jié)構(gòu)。75%酒精溶液使SF 從α-螺旋構(gòu)象到β-折疊的轉(zhuǎn)變。 SF 纖維的物理化學(xué)性質(zhì)很大程度上取決于其分子構(gòu)象或結(jié)晶度。

2.5 孔徑結(jié)構(gòu)分析

如表2 相同紡絲條件下，絲素蛋白納米纖維膜的平均孔徑及最大最小孔徑數(shù)據(jù)表。 靜電紡納米纖維膜孔徑可以調(diào)節(jié)細胞遷移和粘附，能阻隔細菌和其他異物進入損害傷口，與周圍環(huán)境之間進行營養(yǎng)物質(zhì)和廢物交換。 纖維膜的孔徑分布相對集中，說明所制備的纖維膜均勻性比較好，纖維膜平均孔徑4.991nm。

圖7 絲素蛋白納米纖維膜的紅外光譜圖

表2 相同紡絲條件下，SF 納米纖維膜的孔徑數(shù)據(jù)表

2.6 吸水性和透濕性分析

圖8 是75 %的酒精溶液處理前后SF 納米纖維膜的性能結(jié)果。 一般來說，性能優(yōu)良的醫(yī)用敷料應(yīng)該擁有較弱的吸水性和較強的透濕性。 因此，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，豬皮斷層真皮敷料(透濕性為102.2 g/m2·h-1)被大范圍應(yīng)用[25]。 SF 絲素蛋白納米纖維膜因透濕性為439.37±47.72g/m2·h-1符合敷料透濕性標準。 此外，處理前的SF 納米纖維膜吸水率257.40±43.82 %，處理后的SF 納米纖維膜46.76±13.82 %，可見吸水率降低。 究其原因，主要由于75 %的酒精溶液處理使SF 結(jié)構(gòu)由無規(guī)卷曲向規(guī)整的β-折疊轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致外露極性基團減少，且分子間間隙減少所致。

圖8 SF 納米纖維膜的透濕性和吸水率

3 結(jié)論

利用靜電紡絲法，在CaCl2-FA 溶解體系下二次溶解，常溫下制備SF 納米纖維膜。 不同質(zhì)量分數(shù)的SF 溶液流變性能區(qū)別小，表現(xiàn)牛頓流體特性。SF 溶液表現(xiàn)出剪切增稠行為，隨后是剪切稀化行為，具有顯著更高的粘度，這類似于天然蠶絲。 納米纖維膜可以通過控制參數(shù)，改變纖維直徑。 小電壓時，產(chǎn)生較弱電流，纖維間不易牽伸分散而導(dǎo)致纏結(jié)。 我們選擇SF 溶液濃度為5%，電壓15KV 條件下的紡制的SF 納米纖維膜進行研究。 SF 納米纖維平均直徑在200nm 左右，乙醇處理后絲素分子構(gòu)象的轉(zhuǎn)變(SilkⅡ結(jié)構(gòu))，平均孔徑4.991nm，有助于從傷口部位清除滲出物，控制水分流失并促進氧氣擴散進出受損組織，能阻隔細菌和其他異物進入損害傷口，促進傷口愈合，適宜的孔隙率，良好的親水表面，較弱的吸水性，較強的透濕性，可控的生物降解性和合適的生物相容性等優(yōu)點。