羧甲基纖維素鈉改性角蛋白膜的結(jié)構(gòu)與性能

劉淑萍， 李 亮， 劉讓同， 崔世忠， 王艷婷

(1. 中原工學(xué)院 服裝學(xué)院， 河南 鄭州 450007； 2. 紡織服裝產(chǎn)業(yè)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450007； 3. 河南省功能性紡織材料重點實驗室， 河南 鄭州 450007；4. 中原工學(xué)院 紡織學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

近年來，隨著成膜技術(shù)的不斷發(fā)展，膜材料廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，因此，對膜材料的性能不斷提出新的要求。高分子合成材料制成的傳統(tǒng)膜材料由于其生物降解性差導(dǎo)致廢棄物不易處理，易造成環(huán)境污染，使得具有可再生的生物降解天然高分子材料受到人們的廣泛關(guān)注[1]。羊毛作為可再生的高分子材料，資源豐富，而且主要是由富含多種氨基酸的角蛋白組成，不僅可生物降解，還具有生物相容性，被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、包裝、化妝品等領(lǐng)域[2-3]，因此，以羊毛為原料，開發(fā)利用羊毛角蛋白資源制備角蛋白膜材料，不僅具有巨大的經(jīng)濟和社會效益，而且也符合全球可持續(xù)發(fā)展的需要[4]。但由于純的角蛋白成膜性較差，所制得的膜脆性大，力學(xué)性能差，使其應(yīng)用受到很大的限制。為改善角蛋白的成膜性，許多研究者對其進(jìn)行了大量的改性研究,改性方法主要有增塑法、化學(xué)法和共混法等[5-7]，其中由于共混改性易于實現(xiàn)，所以應(yīng)用最為廣泛。目前常用的改性劑有聚乙烯醇(PVA)、殼聚糖和纖維素等[8-10]。

羧甲基纖維素鈉(CMCNa)不僅具有良好的成膜性，而且由其制成的膜在醫(yī)用過程中能防止創(chuàng)傷面的感染，控制創(chuàng)傷面組織液的滲出，促使創(chuàng)傷面的快速愈合，所以本文采用CMCNa為改性劑，改善羊毛角蛋白的成膜性，并對改性膜的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行分析研究，以期為開發(fā)具有生物相容性的醫(yī)用膜材料提供新途徑。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

羧甲基纖維素鈉(CMCNa)，分析純，天津市魯鑫化工科技有限公司；B-258型非硅消泡劑，廣東中聯(lián)邦精細(xì)化工有限公司；羊毛角蛋白、去離子水，實驗室自制。

1.2 實驗儀器

EXPLORER型電子天平，美國奧豪斯公司；HHS-2S型恒溫水浴鍋，上海光地儀器設(shè)備有限公司；Rapid R-3型間歇式烘干機，臺灣瑞比染色試機有限公司；85-2型磁力攪拌器，江蘇中大儀器廠；VK-X110型形狀測量激光顯微鏡，日本基恩士公司；TENSOR37型紅外光譜儀，德國布魯克公司；D/Max-2550PC 型X射線衍射儀，日本理學(xué)株式會社；TG 209F1 Iris型熱重分析儀，德國耐馳公司；OCA20型接觸角測量儀，德國德菲儀器股份有限公司；INSTRON 5582型萬能材料試驗機，美國英斯特朗公司；Φ60型培養(yǎng)皿，上海晶安生物科技有限公司。

1.3 羧甲基纖維素鈉改性羊毛角蛋白膜

CMCNa改性羊毛角蛋白的機制如圖1所示。由于羊毛角蛋白中多數(shù)為α角蛋白，其分子內(nèi)氫鍵作用較大，由其制成的膜脆性大，強度高；當(dāng)加入CMCNa時，由于CMCNa中的羥基、羧基氧等能與角蛋白分子中的羥基、羧基及氨基等形成分子間氫鍵，破壞角蛋白分子內(nèi)的強氫鍵相互作用，從而使角蛋白膜的強度降低，韌性提高。同時由于CMCNa還能與角蛋白大分子間形成較強的范德華力相互作用，使二者能夠較好地互容，改善角蛋白的成膜性。

Fig.1 Modified mechanism of wool keratin film by carboxymethyl cellulose sodium

1.4 樣品制備

1.4.1 羊毛角蛋白膜和CMCNa膜的制備

分別取羊毛角蛋白及CMCNa適量置于80 ℃的去離子水中充分溶解，然后在60 ℃水浴鍋中靜置 2 h；再將溶液均勻鋪在放有錫紙的培養(yǎng)皿中，用毛刷刷成具有一定厚度和形狀的薄膜，最后將培養(yǎng)皿在 65 ℃ 的烘箱中干燥90 min，即得到角蛋白膜和CMCNa膜。

1.4.2 CMCNa改性角蛋白膜的制備

按1∶1的質(zhì)量比分別稱取適量的羊毛角蛋白和CMCNa，先將CMCNa置于適量去離子水中，并在 65 ℃ 下攪拌使其充分溶解；再將羊毛角蛋白置于同樣的去離子水中進(jìn)行溶解，并與上述CMCNa溶液進(jìn)行充分混和，在上述溶液中加入適量的消泡劑，用磁力攪拌器攪拌30 min，將混合液置于65 ℃的水浴鍋中靜置2 h，然后鋪制成膜并在65 ℃的烘箱中干燥 90 min，得到CMCNa改性的角蛋白膜。

1.5 測試與表征

1.5.1 表面形貌觀察

采用形狀測量激光顯微鏡觀察純角蛋白膜和CMCNa改性膜的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)。

1.5.2 化學(xué)結(jié)構(gòu)測試

采用紅外光譜儀以KBr壓片法測定角蛋白膜和CMCNa改性膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，測試掃描范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1。測試前先將試樣在陶瓷研缽中磨成粉末，然后在80 ℃的真空烘箱中烘干24 h。

1.5.3 結(jié)晶結(jié)構(gòu)測試

采用X射線衍射儀分析角蛋白膜和CMCNa改性膜的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。輻射源為CuKα，加速電壓和電流分別為40 kV和60 mA。先將樣品制成粉末并在80 ℃的真空烘箱中烘干24 h后進(jìn)行測試，掃描范圍為5°～35°。

1.5.4 熱性能測試

采用熱重分析儀測定膜的熱穩(wěn)定性。測試升溫速率為10 ℃/min，測試溫度范圍：角蛋白膜為室溫至200 ℃，CMCNa改性膜為室溫至600 ℃。

1.5.5 親水性及降解性測試

接觸角測試：室溫條件下用接觸角測量儀測試膜的親水性，測試方法采用懸滴法(水滴體積選用0.5 μL)，從水滴滴到膜上開始至水滴完全被吸收，每隔20 s記錄一次接觸角的大小。

降解性能測試：膜在水中的降解性以膜的質(zhì)量損失率表示，分別稱取角蛋白膜和改性膜(膜的尺寸為10 mm×10 mm)的質(zhì)量，記為m1(g)，再將其分別置于室溫條件下的蒸餾水中6 h；然后取出并用稱量紙吸干上面的水分稱取其質(zhì)量，記為m2(g)，膜的質(zhì)量損失率w(%)計算公式為：

1.5.6 力學(xué)性能測試

膜的力學(xué)性能測試參照ASTMD882《測量塑料薄膜和薄片材拉伸性能》，在萬能材料試驗機上進(jìn)行，測試時膜尺寸為3 cm×10 cm，拉伸速度為 10 mm/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 膜的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)分析

激光顯微鏡下的角蛋白膜和CMCNa改性膜的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2所示。可以看出，按本文方法所制得的2種膜的表面結(jié)構(gòu)均相對較平整，并且都存在裂縫，但未改性前角蛋白膜的裂縫相對較多，形狀相對細(xì)長，經(jīng)過CMCNa改性后的膜的裂縫相對粗短。這一方面可能與成膜時膜的厚度不太均勻有關(guān)，另一方面也與成膜的工藝有關(guān)，但從中也可以看出，CMCNa能明顯改善角蛋白的成膜性，使膜的結(jié)構(gòu)更致密，同時也說明要想得到結(jié)構(gòu)更為致密的膜，需要進(jìn)一步優(yōu)化制膜工藝。

圖2 角蛋白膜與CMCNa改性膜的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)(×1 000)

Fig.2 Surface morphologies of keratin film (a) and CMCNa modified film (b)(×1 000)

2.2 膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

為分析改性前后膜的結(jié)構(gòu)變化，對角蛋白膜、CMCNa膜及其改性膜進(jìn)行了紅外光譜測試，結(jié)果如圖3所示。

圖3 角蛋白膜、CMCNa膜及其改性膜的紅外光譜圖

Fig.3 Infrared spectra of keratin film, CMCNa film and modified film

從圖3可看出，由于角蛋白膜、CMCNa膜及其改性膜中都含有羥基基團(tuán)，所以三者在 3 455 cm-1附近都出現(xiàn)了羥基O—H的伸縮振動峰。但由于不同膜中羥基的含量不同，其對紅外的吸收強度也不同，其中角蛋白膜的吸收強度最大，CMCNa膜的吸收強度最小，這是因為純角蛋白膜中的羥基較多，而CMCNa膜中羥基較少引起的。當(dāng)角蛋白與CMCNa共混時，由于二者之間發(fā)生了氫鍵相互作用，使角蛋白分子中部分分子內(nèi)氫鍵轉(zhuǎn)化為與CMCNa大分子間的氫鍵，羥基中的O—H伸縮振動的強度減弱，但改性膜中仍有大量沒有參與反應(yīng)的角蛋白存在，所以改性膜在3 455 cm-1附近的吸收峰強度介于純角蛋白的膜和CMCNa膜之間[10]。

純角蛋白膜中位于1 650 cm-1處的較弱的酰胺Ⅰ鍵和位于1 412 cm-1處的C—H和N—H的彎曲振動吸收峰在改性膜中仍然存在，也說明在改性膜中仍有較多的角蛋白沒有參與反應(yīng)。角蛋白膜中位于1 571 cm-1處的酰胺Ⅱ鍵的較強吸收峰在改性膜中移至了1 558 cm-1處，并且在強度上有所減弱[11]，此外，在改性膜中出現(xiàn)了CMCNa的位于2 340 cm-1處的特征峰和位于1 094 cm-1處的C—C骨架中的C—O伸縮振動峰，說明二者在共混過程具有很好的相容性。角蛋白與CMCNa共混過程中結(jié)構(gòu)的相容性和分子間氫鍵的形成是成膜性能改善的必要條件。

2.3 膜的結(jié)晶結(jié)構(gòu)分析

圖4示出角蛋白膜、CMCNa膜及其改性膜的XRD曲線。

圖4 角蛋白膜、CMCNa膜及其改性膜的XRD結(jié)晶結(jié)構(gòu)

Fig.4 XRD crystal structure of keratin film, CMCNa film and modified film

從圖4可以看出，角蛋白膜的XRD曲線上有一強一弱2個較明顯的吸收峰：位于11.57°處的強吸收峰是由角蛋白中的α-螺旋構(gòu)象的結(jié)晶結(jié)構(gòu)引起的；而位于14.66°處的較弱吸收峰是由角蛋白的 β-折疊構(gòu)象結(jié)晶結(jié)構(gòu)造成的[12]。從圖中峰的強度可以看出，角蛋白中處于α-螺旋構(gòu)象結(jié)晶結(jié)構(gòu)的大分子要遠(yuǎn)多于處于β-折疊構(gòu)象結(jié)晶結(jié)構(gòu)的大分子。對于CMCNa膜，其整個掃描范圍內(nèi)僅在2θ位于16.98°處有1個饃頭峰，因此，大分子屬于無定形結(jié)構(gòu)[13]。改性膜的XRD曲線上在位于11.63°和15.41°處出現(xiàn)2個強度相接近的吸收峰，11.63°處的吸收峰對應(yīng)于角蛋白的α-螺旋構(gòu)象結(jié)晶結(jié)構(gòu)，但相對于角蛋白來說，該峰的強度明顯減弱，這說明改性膜中由于分子間氫鍵的形成使其結(jié)構(gòu)中的α-螺旋構(gòu)象的結(jié)晶結(jié)構(gòu)減少；15.41°處的強吸收峰是由于共混過程中角蛋白與CMCNa發(fā)生分子間氫鍵相互作用，使改性膜中的β-折疊構(gòu)象結(jié)晶結(jié)構(gòu)的增加引起的[14]，此結(jié)果也與紅外結(jié)構(gòu)分析相吻合。

2.4 膜的熱穩(wěn)定性分析

角蛋白膜和CMCNa改性膜在不同溫度時的質(zhì)量變化曲線如圖5所示。

圖5 角蛋白膜、CMCNa改性膜在不同溫度時的熱穩(wěn)定曲線

Fig.5 Thermo-gravimetric curves of keratin film (a) and CMCNa modified film (b) at different temperatures

從圖5中可以看出，無論是角蛋白膜還是CMCNa改性膜，其質(zhì)量損失曲線都可明顯地分為3個階段。對于角蛋白膜來說，這3個階段分別是：122 ℃之前由于水分蒸發(fā)引起的較快的質(zhì)量損失階段；122～150 ℃之間由蛋白質(zhì)變性所引起的快速質(zhì)量損失階段，并且此階段的質(zhì)量損失速率在131 ℃時達(dá)到最大；此后就是由于膜的熱降解所引起的質(zhì)量損失階段[15]。經(jīng)過CMCNa改性的角蛋白膜由于二者之間的氫鍵相互作用，在第1階段達(dá)到同樣的質(zhì)量損失時所需的溫度高達(dá)264 ℃；隨后在最大質(zhì)量損失階段，改性后的角蛋白膜不僅質(zhì)量損失更大，而且質(zhì)量損失的溫度跨度也較大，這主要是由于在此階段不僅發(fā)生了蛋白質(zhì)的變性，而且部分CMCNa小分子也揮發(fā)出去；此后就是角蛋白膜的緩慢裂解過程。由此可見，CMCNa與角蛋白之間具有較好的相容性，CMCNa的加入不僅使角蛋白膜的結(jié)構(gòu)更加致密，而且還使其熱穩(wěn)定性得以提高。

2.5 膜的親水性及降解性分析

可降解生物醫(yī)藥材料膜需要有一定的親水性，角蛋白膜和CMCNa改性膜在不同時間時的接觸角變化曲線如圖6所示。

圖6 角蛋白膜、CMCNa改性膜不同時間的接觸角變化曲線

Fig.6 Change curves of contact angle of keratin film and CMCNa modified film at different time

由于角蛋白大分子中所含的親水基團(tuán)較多，膜極易吸水，所以其親水性好，接觸角變化快，水滴被膜完全吸收的時間為120 s。當(dāng)其經(jīng)過CMCNa改性后，一方面由于CMCNa大分子中的親水基團(tuán)相對角蛋白來說要少，另一方面由于二者之間形成了分子間氫鍵，也在一定程度上減少了親水基團(tuán)，所以經(jīng)過改性后的角蛋白膜親水性相對有所減弱，水滴被膜完全吸收的時間增加至200 s，仍具有較好的親水性。

由于角蛋白膜和改性膜都具有親水性，所以對膜的降解性主要以膜在水中停留一定時間后的質(zhì)量損失率表示。實驗結(jié)果表明，角蛋白膜在經(jīng)過6 h的溶解后其質(zhì)量損失率為20.4%，而改性后的角蛋白膜在同樣條件下其質(zhì)量損失率達(dá)到了78.6%。原因可能是一方面CMCNa本身能溶于水，另一方面則由于CMCNa與角蛋白大分子之間形成分子間氫鍵破壞了角蛋白的分子內(nèi)氫鍵，這些分子間氫鍵在水的作用下被破壞，使更多的角蛋白溶于水造成。

2.6 膜的力學(xué)性能分析

角蛋白膜、CMCNa改性膜的拉伸曲線如圖7所示。可以看出，角蛋白膜的拉伸強度較大，伸長較小，經(jīng)過CMCNa改性后的角蛋白膜強度明顯降低，由35 MPa降低至16.3 MPa，伸長率卻顯著變大，這是因為在CMCNa與角蛋白大分子間形成了分子間氫鍵， 導(dǎo)致角蛋白大分子的分子內(nèi)氫鍵減弱所引起的。

圖7 角蛋白膜、CMCNa改性膜的拉伸曲線

Fig.7 Tensile curves of keratin film and CMCNa modified film

3 結(jié) 論

CMCNa改性角蛋白膜時，由于CMCNa在與角蛋白的共混過程中形成了分子間氫鍵，可改善角蛋白的成膜性，使膜的結(jié)構(gòu)更致密，而且在200 ℃之前的熱穩(wěn)定性明顯增加。但由于CMCNa中的親水基團(tuán)相對較少，所以改性后角蛋白膜的疏水性增加，水滴被膜完全吸收的時間由原來的120 s增至 200 s，但其在水中的降解性由原來的20.4%增至78.6%，斷裂強度卻由原來的35 MPa降低至16.3 MPa。此外，由于CMCNa能與角蛋白大分子形成分子間氫鍵，使得經(jīng)其改性后的膜的結(jié)晶結(jié)構(gòu)由原來的α-螺旋構(gòu)象占主導(dǎo)地位轉(zhuǎn)變?yōu)棣?螺旋構(gòu)象和 β-折疊構(gòu)象其存的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

FZXB

致謝本文得到了中原工學(xué)院交叉學(xué)科團(tuán)隊支持計劃、河南省紡織服裝協(xié)同創(chuàng)新中心、河南省功能紡織材料重點實驗室等的資助。