預拉伸對不同鹽質量分數再生絲素膜的影響

朱聰聰 左保齊

摘要： 絲素材料被廣泛應用于生物醫(yī)藥領域，這是由于絲素材料具有低免疫源性，可降解且具備良好的力學性能。很多文獻表明相比于傳統溶解絲素的方法，甲酸/鹽溶解絲素制備的再生絲素材料具有更好的機械性能，然而，當再生絲素應用于對力學性能要求更高的骨填充材料時，甲酸/鹽溶解絲素制備的再生絲素材料力學性能還是不足的。文章采用甲酸/氯化鈣溶解絲素制備再生絲素膜，然后對其進行預拉伸處理。結果表明，通過預拉伸處理的再生絲素膜具備更高的力學性能，選用4%的鹽質量分數溶解時，可以得到穩(wěn)定的二級結構（silk II）。研究結果對絲素材料應用于生物醫(yī)藥領域具有潛在的應用價值。

關鍵詞： 再生絲素膜;拉伸;外觀結構;二級結構;機械性能

中圖分類號： TS102.1;R318.08

文獻標志碼： A

文章編號： 1001-7003（2019）01-0001-07

引用頁碼： 011101

近年來，家蠶絲作為天然材料，由于其較慢的降解速度，良好的力學性能和充足的來源[1-4]，并且易于加工成各種形式，從而在材料領域得到廣泛的應用。絲素蛋白是一種從蠶絲中提取出的天然高分子纖維蛋白，含有多種氨基酸[5-7]，并具有良好的相容性能，可生物降解等特點，廣泛用于醫(yī)用組織工程材料[8-10]，隨著對其結構和組成的深入研究，已從傳統紡織領域擴展到生物醫(yī)學領域[11-17]。

再生絲素膜是一種常見的絲素蛋白的應用形式。國內外相關學者也進行了大量的研究工作，結果表明溶劑、外界環(huán)境或者時間的改變都會對絲素蛋白溶液產生不同的影響，得到不同的溶解效果[18-20]。為了得到較好力學性能的材料，國內外相關專家從改變溶解方法、時間或者外界環(huán)境出發(fā)[21-22]，但是很少人可以從絲素蛋白材料的后處理方法入手。初生絲經過預拉伸將纖維重新排列，可以得到力學性能較好的成品絲， 所以本文采用對再生絲素蛋白膜進行預拉伸的后處理方法?；诩姿?鹽的再生纖維膜的力學性能優(yōu)于其他方法制得的再生纖維膜[23-26]，本文采用甲酸/鹽[27-29]溶解而成的再生絲素膜，此方法相對傳統的溶解方法不僅縮短了制備成膜的時間，還具有透氧性、透氣透濕性、生物相容性[30]和細胞增殖等優(yōu)異的性能特點。然后對再生絲素膜進行預拉伸處理，運用相關測試方法表征其性能。

1?實?驗

1.1?再生絲素膜的制備與預拉伸

稱取一定量的桑蠶絲（浙江湖州浙絲二廠有限公司），用0.05%Na2CO3溶液以1︰20的浴比、100℃的去離子水脫膠3次，每次脫膠時間為30min，然后放在烘箱中烘干，即得絲素蛋白（silk fibroin，SF）纖維。室溫條件下，將所得到的SF纖維溶解在氯化鈣鹽質量分數分別為2%、4%、6%和8%的甲酸/鹽溶液中，磁力攪拌4h，將得到的混合溶液倒入相同大小的培養(yǎng)皿，放入通風處通風，使甲酸揮發(fā)，再放入自來水中去鹽12h，得到再生絲素膜備用。

再生絲素膜的預拉伸：不同鹽質量分數的再生絲素膜裁剪成合適大小的試樣，首先將試樣的一端夾緊在織物強力機上夾鉗中心位置，隨后將另一端垂直放入下夾鉗中心位置夾緊，施加一定程度的外力，進行一定的預拉伸。實驗所采用的單向定相對伸長拉伸，拉伸時速度是100mm/min，拉伸固定2h。

1.2?儀器與設備

HD101A型電熱恒溫鼓風干燥箱（南通宏大實驗儀器有限公司），YG026B型電子織物強力機（寧波紡織儀器廠），S-4800型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡（日本Hitachi公司），Nicolet5700型傅里葉紅外光譜儀（美國Nicolet公司），XPert-Pro型全自動X-射線衍射儀（荷蘭PANalytical公司），BS201S電子天平（德國Sartorius公司），Instron 3365型萬能材料試驗機（美國Instron公司）。

1.3?再生絲素膜的性能測試

1.3.1?掃描電子顯微鏡（SEM）

將干燥后的再生絲素膜，取橫截面，黏貼在SEM樣品臺上，經噴金處理后，在室溫條件下，利用S-4800型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡進行相應的形貌觀察。

1.3.2?傅立葉變換紅外（FTIR）

利用Nicolet5700型傅里葉紅外光譜儀進行測試，采用壓片全反射的方法，測試400～4000cm-1的吸光度值，分析再生絲素膜中所存在的二級結構。

1.3.3?X射線衍射（XRD）

將再生絲素膜烘干，并研磨成粉末狀顆粒，利用XPert-Pro型全自動X射線衍射儀進行XRD測試。測試條件為CuKα射線、管電壓40mA、掃描速度10°/min，在其條件下記錄2θ=5°～45°的樣品衍射強度曲線。

1.3.4?再生絲素膜的力學性能

將不同鹽質量分數的再生絲素膜制成尺寸為10mm（寬）×50mm（長）的長方形，在20℃、65% RH條件下，在Instron 3365型萬能材料試驗機上進行拉伸力學性能的測試，力學測試方向與預拉伸方向相同。測試條件為加持距離20mm，預加張力為20cN。

2?結果與分析

2.1?再生絲素膜的形態(tài)學分析

鹽質量分數分別為2%、4%、6%、8%，絲素質量分數為8%。

絲素一般用LiBr、CaCl2等中性鹽溶液溶解，溶液中電離出的強極性離子可以破壞分子之間的氫鍵和范德華力，適當增加溫度可以達到最優(yōu)的溶解效果。實驗中用甲酸/鹽溶解絲素，甲酸/鹽溶解可以保留部分納米級的基原纖[31-33]，即納米級纖維[34-35]，所以從不同鹽質量分數下再生絲素膜橫截面的SEM圖可以看出，預拉伸后再生絲素膜中有明顯的納米級纖維。在經過預拉伸的絲素膜截面掃描電子顯微鏡圖中可以觀察到一些縱向或者橫向線條，再生絲素膜中的納米纖維長度有變小的趨勢。未經預加張力的絲素膜沒有表現出一定的規(guī)則性，呈現無規(guī)則狀。這種現象出現的原因是在濕態(tài)下再生絲素蛋白膜經過預拉伸后，分子鏈沿施加外力方向重新排列，在同等外力的持續(xù)作用下，再生絲素膜由濕態(tài)變?yōu)楦蓱B(tài)的過程中，分子鏈之間由于存在相互作用而逐漸趨于穩(wěn)定結構。所以說，經過預拉伸后的結構更加穩(wěn)定。

2.2?再生絲素膜的力學性能分析

材料的力學性能是指一種承受機械荷而不超過自身許可變形或不被破壞的能力，在一定程度上體現材料的可利用性。

經過預拉伸之后的再生絲素膜內部分子結構發(fā)生一定程度的改變，沿預應力方向分子間排列緊密，使再生絲素膜的應力增大。膜的應變相對預拉伸前較低，是由于預拉伸后絲素膜的變形能力會降低，受外力影響時，不易產生很大的變形。經過預拉伸之后再生絲素膜相比未拉伸的在縱向上的彈性模量有所增加。

表1是不同鹽質量分數下再生絲素膜的楊氏模量。如表1所示，不同鹽質量分數下，經過預拉伸再生絲素膜的楊氏模量比未經預拉伸的楊氏模量皆有所增加，說明經過預拉伸之后膜材料的形變變小，這與應力應變曲線所表明的結果一樣，材料抵抗變形能力增加。這種改變可以滿足具有較高力學性能骨填充材料的要求，同時也為新型軟骨材料提供力學性能參考。

2.3?再生絲素膜的二級結構分析

絲素蛋白的構象一般以無規(guī)卷曲、α螺旋和β折疊為主[36]。經過傳統方法溶解后的絲素溶液的二級結構呈現無規(guī)結構，但由表2在經過甲酸/鹽溶解制成的絲素膜中不僅有無規(guī)結構還有β折疊結構。眾所周知，具有β折疊構象的肽鏈與其他構象相比是高度延展的，在兩條相鄰β折疊肽鏈的N━H和C═O間形成鏈間氫鍵，這種相鄰肽鏈之間的氫鍵在使結構穩(wěn)定的結合力方面起重要作用。所以，再生絲素膜中的β折疊結構是一種相對穩(wěn)定的二級結構。

預拉伸前后，不同鹽質量分數下再生絲素膜的傅里葉變換紅外光譜。隨著鹽質量分數的增加，酰胺Ⅰ特征峰位置向無規(guī)卷曲方向偏移。從表2，絲素蛋白特征峰出現在1524、1624cm-1和1235cm-1附近，這表明它主要以β折疊的形式出現。鹽質量分數為2%時，預拉伸對相對低一些的鹽質量分數影響明顯一點，特征峰的峰強度有增加，但隨著鹽質量分數的增加預拉伸效果不明顯?？傮w而言，預拉伸前后，再生絲素膜的分子構象變化不大，預拉伸對其影響較小。

絲素蛋白β折疊主衍射峰為9.1°、18.9°、20.7°和24.0°[37]，無規(guī)卷曲和α螺旋的主衍射峰分別為12.2°、19.7°、24.7°和28.2°[37-39]。不同鹽質量分數下，再生絲素膜經預拉伸前后的X射線衍射。不同鹽質量分數下，在8.6°和20.3°左右出現絲素β折疊構象的特征峰，經過預拉伸之后，β折疊構象的特征峰的峰強度有所降低。當鹽質量分數增加時，峰強度的降低現象越明顯。通過單軸拉伸可以提高再生絲素膜的韌性[40-41]，當鹽質量分數為4%時，紅外測試再生絲素膜在1524、1624cm-1和1235cm-1附近出現β折疊構象的特征峰，是一種穩(wěn)定的二級結構。XRD測試所得到的峰形比較尖銳，表明膜的取向度較高，同樣說明再生絲素膜可以得到相對穩(wěn)定的結構。

3?結?論

采用甲酸/氯化鈣溶解絲素制備再生絲素膜，然后對其進行預拉伸處理。實驗結果表明，通過預拉伸處理的再生絲素應力將得到改善，應變有一定程度的降低。再生絲素膜的鹽質量分數不能太高。溶解絲素可選用4%的鹽質量分數，以便獲得更好的穩(wěn)定性和機械性能。再生絲素膜的這種變化可以為絲素蛋白作為新型軟骨材料提供力學性能參考，同時也可以成為一種力學性能優(yōu)良的骨填充材料。

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