尿素脫膠對(duì)絲素蛋白氣凝膠力學(xué)性能的影響

王宗乾， 楊海偉， 周 劍， 李長龍

(1. 安徽工程大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 安徽 蕪湖 241000； 2. 中山大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 廣東 廣州 510275)

絲素蛋白(SF)是從蠶絲中提取的天然高分子纖維蛋白[1]，在蠶絲中質(zhì)量分?jǐn)?shù)占70%～80%，具有良好的生物相容性、生物降解性以及優(yōu)異的力學(xué)性能[2-3]。同時(shí)SF易于加工和修飾，通過多樣化的制備方法，可獲得多種形態(tài)的SF材料，如水凝膠[4]、多孔支架[5]、薄膜[6]、納米纖維[7]、微球[8]、微針[9]等，在組織工程、藥物緩釋系統(tǒng)以及人造皮膚等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來，SF在氣凝膠領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。SF氣凝膠是獨(dú)立于無機(jī)氣凝膠(如SiO2氣凝膠等)和有機(jī)聚合物氣凝膠(如間苯二酚甲醛和三聚氰胺甲醛氣凝膠等)材料之外的生物聚合物氣凝膠材料，在傳統(tǒng)氣凝膠材料特性(如超低密度、高比表面積、超高孔隙率、極低的傳熱系數(shù)、低光折射率、低介電常數(shù)等)[10-12]基礎(chǔ)上，增加了生物降解和生物相容性的優(yōu)勢[13]，使得SF氣凝膠在生物醫(yī)用材料等領(lǐng)域中具有極大的發(fā)展?jié)摿14-15]。

將蠶絲蛋白用于氣凝膠材料的開發(fā)，脫膠是極其重要的一步。目前，在SF氣凝膠制備過程中普遍采用碳酸鈉溶液對(duì)蠶絲進(jìn)行脫膠處理[16-18]，但煮沸的碳酸鈉溶液會(huì)使SF肽鏈發(fā)生嚴(yán)重的斷裂[19]，使SF的相對(duì)分子質(zhì)量降低，導(dǎo)致SF氣凝膠的力學(xué)性能較差，因此，為改善SF氣凝膠的力學(xué)性能，通過向SF溶液中加入交聯(lián)劑(如甲基三甲氧基硅烷[20-21]、丁二醇二縮水甘油醚[22]等)制備得到力學(xué)性能優(yōu)異的SF混合氣凝膠。然而，這些合成交聯(lián)劑的使用可能損害SF的生物性優(yōu)勢。相比碳酸鈉脫膠方法，非堿體系的尿素脫膠對(duì)SF的損傷較小，經(jīng)溶解制備的再生SF的黏度和相對(duì)分子質(zhì)量較大，有利于改善再生SF材料的結(jié)構(gòu)和性能[23-24]。Wang等[19]對(duì)比分析了尿素、碳酸鈉和強(qiáng)堿性電解水等脫膠方法對(duì)SF膜結(jié)構(gòu)和性能的影響，研究結(jié)果也表明尿素脫膠對(duì)SF的損傷最小，且顯著提高了SF膜的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和結(jié)晶度。

綜上可知，采用非堿體系的尿素脫膠可減少對(duì)SF的損傷，提高其相對(duì)分子質(zhì)量，改善SF材料的結(jié)構(gòu)和性能。與目前已報(bào)道的加入交聯(lián)劑改善SF氣凝膠力學(xué)性能的方法相比，尿素脫膠不僅可改善SF氣凝膠的力學(xué)性能，還能保證其生物性免受損害。目前關(guān)于尿素脫膠對(duì)SF氣凝膠力學(xué)性能影響的報(bào)道較少。為此，本文以尿素脫膠蠶絲為原料制備了SF氣凝膠，并與碳酸鈉脫膠蠶絲制備的氣凝膠進(jìn)行對(duì)比分析，闡述了尿素脫膠對(duì)SF氣凝膠力學(xué)性能的影響規(guī)律與作用機(jī)制，以期為高強(qiáng)度SF氣凝膠的制備提供實(shí)驗(yàn)與理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

蠶生絲，安徽青陽縣三方絲綢有限公司；尿素、無水碳酸鈉、無水氯化鈣、無水乙醇，上海阿拉丁試劑有限公司；苦味酸，臺(tái)山眾城化工有限公司；胭脂紅，阿達(dá)瑪斯試劑有限公司。以上試劑均為分析純。

1.2 SF溶液的制備

根據(jù)文獻(xiàn)[23]中尿素和碳酸鈉脫膠工藝分別對(duì)蠶生絲進(jìn)行脫膠，后經(jīng)苦味酸胭脂紅染色法[25]判定絲膠已被完全除去，脫膠蠶絲可視為絲素蛋白集合體。

分別將尿素、碳酸鈉脫膠后的蠶絲加入氯化鈣、乙醇和水(三者的量比為1∶2∶8)的三元溶劑中，浴比為1∶20，在80 ℃下振蕩溶解2 h。然后將溶解后的絲素蛋白液分別裝入截留分子質(zhì)量為8～14 ku的透析袋中，在超純水中持續(xù)透析3 d，每4 ～ 6 h更換一次水以除去氯化鈣和乙醇，經(jīng)質(zhì)量測試法測試透析后絲素蛋白液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%。

1.3 SF氣凝膠的制備

將透析后SF溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)稀釋至1.4%，然后分別裝入外徑為17 mm，內(nèi)徑為14 mm的塑料離心管中，在-20 ℃下冷凍15 h，隨后放入LGJ-10型真空冷凍干燥機(jī)(北京松原華興科技發(fā)展有限公司)中在-50 ℃下干燥48 h，制備得到SF氣凝膠。本文實(shí)驗(yàn)中，分別將尿素和碳酸鈉脫膠蠶絲制備的氣凝膠記為SF-U和SF-S氣凝膠。

1.4 測試方法

1.4.1 密度測試

將圓柱形SF氣凝膠切成長度約為20 mm， 使用數(shù)顯卡尺和分析天平測量氣凝膠的尺寸(長度和直徑)和質(zhì)量，以計(jì)算SF氣凝膠的密度[26]。

1.4.2 力學(xué)性能測試

采用H10 K-S型萬能材料試驗(yàn)機(jī)(美國錫萊亞太拉斯有限公司)對(duì)SF氣凝膠的力學(xué)性能進(jìn)行測試。所有測試的SF氣凝膠均為圓柱體，其直徑和高度分別約為10和20 mm，壓縮速率為1 mm/min，根據(jù)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率計(jì)算壓縮模量。各樣品測試5次，取平均值。

1.4.3 微觀形貌觀察

在SF氣凝膠樣品上鍍金處理后，使用S-4800型掃描電子顯微鏡(SEM，日本日立公司)在5 kV的加速電壓下觀察SF氣凝膠的微觀形貌。

1.4.4 化學(xué)結(jié)構(gòu)測試

采用Spectrum Two 型傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR， 美國鉑金埃爾默公司)對(duì)SF氣凝膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試。測試條件為：分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)32，波數(shù)范圍4 000 ～ 500 cm-1。

為定量分析SF氣凝膠中二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化，選取酰胺Ⅰ帶對(duì)應(yīng)的 1 700～1 600 cm-1波數(shù)范圍的紅外光譜，并用Origin 9.0軟件通過Savitzky-Golay法，采用15點(diǎn)三次函數(shù)對(duì)紅外光譜曲線進(jìn)行平滑處理并求其二階導(dǎo)數(shù)光譜，通過二階導(dǎo)數(shù)光譜在1 700～1 600 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)尋找各種類型二級(jí)結(jié)構(gòu)的峰位，并結(jié)合Origin中高斯(Gaussian)分峰擬合方法得到各二級(jí)結(jié)構(gòu)子峰的分布和強(qiáng)度，根據(jù)各子峰峰面積即可統(tǒng)計(jì)SF氣凝膠中二級(jí)結(jié)構(gòu)的類型和相對(duì)含量[27]。

1.4.5 結(jié)晶結(jié)構(gòu)測試

采用D8系列X射線衍射儀(XRD，德國布魯克公司)對(duì)SF氣凝膠的結(jié)晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，測試條件為：Cukα靶(波長為0.154 nm)，電壓40 kV，電流 30 mA，衍射角度掃描范圍5° ～ 40°，掃描步長0.02°，掃描速度2(°)/min。此外，基于SF氣凝膠的XRD譜圖，通過Herman方法[28]計(jì)算SF氣凝膠的結(jié)晶度。

2 結(jié)果與討論

2.1 SF氣凝膠的力學(xué)性能分析

本文通過計(jì)算得到尿素脫膠蠶絲和碳酸鈉脫膠蠶絲制備的SF-U和SF-S氣凝膠的密度分別為(13.43±0.77)和(12.76±1.01) mg/cm3，其對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能測試結(jié)果如圖1所示?？芍?，2種氣凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)3個(gè)階段，分別為低應(yīng)變下的線性彈性區(qū)間，中等應(yīng)變下的非線性塑性變形平臺(tái)以及高應(yīng)變下應(yīng)力急劇增加區(qū)。同時(shí)，依據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算壓縮強(qiáng)度與壓縮模量發(fā)現(xiàn)，相較于SF-S氣凝膠，SF-U氣凝膠的抗壓縮強(qiáng)度與抗壓縮模量均有顯著提升，當(dāng)壓縮形變?yōu)?0% 時(shí)，SF-U 氣凝膠的壓縮強(qiáng)度與壓縮模量可分別達(dá)到(32.36±2.35)和(119.31±8.93) kPa，表明采用非堿體系的尿素脫膠有助于提升SF氣凝膠的力學(xué)性能。進(jìn)一步通過簡單的壓縮測試可以發(fā)現(xiàn)， SF-U氣凝膠可支撐2枚一元硬幣重量且不被壓縮變形，而SF-S氣凝膠經(jīng)相同規(guī)格的1枚硬幣壓縮時(shí)，已出現(xiàn)明顯的壓縮變形，再次表明SF-U氣凝膠的抗壓縮性能明顯優(yōu)于SF-S氣凝膠。

圖1 2種SF氣凝膠的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Compressive stress-strain curve of two different SF aerogels

2.2 SF氣凝膠的微觀形貌分析

圖2示出SF-U和SF-S氣凝膠材料的微觀掃描電鏡照片。可以看出，二者具有顯著差異：SF-U氣凝膠具有穩(wěn)定的立體骨架結(jié)構(gòu)，整個(gè)氣凝膠結(jié)構(gòu)中均勻分布著尺寸在幾十到幾百微米區(qū)間的空洞；SF-S氣凝膠結(jié)構(gòu)混雜，骨架結(jié)構(gòu)不完整，且以纖細(xì)化的薄片層堆砌結(jié)構(gòu)為主，孔洞尺寸與分布也不均一，推測與冷凍干燥過程中氣凝膠發(fā)生的變形坍塌有關(guān)[29]。綜上可知，穩(wěn)定的立體骨架結(jié)構(gòu)是SF-U氣凝膠具有較高力學(xué)性能的重要緣由。

圖2 SF-U和SF-S氣凝膠的掃描電鏡照片(×100)Fig.2 SEM images of SF-U (a) and SF-S (b) aerogel (×100)

2.3 SF氣凝膠的二級(jí)結(jié)構(gòu)分析

采用FT-IR對(duì)SF氣凝膠的二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示?？芍?，紅外譜圖中1 700 ～ 1 600、 1 600 ～ 1 500 cm-1波段分別對(duì)應(yīng)于絲素蛋白骨架的酰胺I帶、酰胺II帶特征吸收峰。進(jìn)一步地，2種SF氣凝膠在1 516和1 530 cm-1處都出現(xiàn)了特征吸收峰，分別對(duì)應(yīng)酰胺II中的 β-折疊和無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)[18]。在酰胺I帶中，SF-S氣凝膠在1 644 cm-1處的特征峰對(duì)應(yīng)為無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)，而在SF-U氣凝膠中則轉(zhuǎn)移至1 638 cm-1處，這是由于SF中的無規(guī)則卷曲構(gòu)象向 β-折疊構(gòu)象轉(zhuǎn)變所致[30-31]。

圖3 SF-U和SF-S氣凝膠的FT-IR光譜圖Fig.3 FT-IR spectra of SF-U and SF-S aerogels

文獻(xiàn)[32-33]表明蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)可用酰胺I帶表征，因此，為定量地分析SF氣凝膠中二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)酰胺I帶的紅外光譜圖進(jìn)行高斯分峰擬合，結(jié)果如圖4所示，并依據(jù)各子峰的峰面積統(tǒng)計(jì)各類二級(jí)結(jié)構(gòu)的相對(duì)含量如表1所示。其中，1 655 ～ 1 642和1 690 ～ 1 670 cm-1處代表無規(guī)卷曲構(gòu)象(I)，1662～ 1 656 cm-1處代表 α-螺旋構(gòu)象(II)，1 640 ～ 1 615 cm-1處代表 β-折疊構(gòu)象(III)[34-35]。

圖4 SF-U和SF-S氣凝膠的高斯分峰擬合曲線Fig.4 Gaussian peak fitting of SF-U (a) and SF-S (b) aerogel

表1 SF氣凝膠二級(jí)結(jié)構(gòu)擬合結(jié)果Tab.1 Fitting results of secondary structures in SF aerogel

由表1可知：SF-U、SF-S氣凝膠中各類二級(jí)結(jié)構(gòu)的含量表現(xiàn)出較大差異；相較于傳統(tǒng)的SF-S氣凝膠，SF-U氣凝膠的無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)含量明顯降低，α-螺旋與 β-折疊二級(jí)結(jié)構(gòu)相對(duì)含量提高，其中β-折疊結(jié)構(gòu)相對(duì)含量超過50%，已成為相對(duì)含量占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢的二級(jí)結(jié)構(gòu)。

文獻(xiàn)[36]還表明，β-折疊結(jié)構(gòu)及其含量是決定SF材料力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，SF-U氣凝膠中 β-折疊結(jié)構(gòu)的含量高于SF-S氣凝膠，使得其力學(xué)性能得到改善。在前期研究中已發(fā)現(xiàn)，尿素脫膠對(duì)SF的損傷較小[23-24]，經(jīng)溶解制備的SF相對(duì)分子質(zhì)量較大，溶液中SF分子在冷凍過程中易發(fā)生聚集，進(jìn)而引起其構(gòu)象從無規(guī)則卷曲轉(zhuǎn)變?yōu)?β-折疊構(gòu)象[37]，導(dǎo)致 SF-U 氣凝膠中 β-折疊構(gòu)象的含量較高；而碳酸鈉脫膠對(duì)SF損傷較大，經(jīng)溶解制備的SF相對(duì)分子質(zhì)量較小，SF較低的相對(duì)分子質(zhì)量影響了其構(gòu)象由無規(guī)則卷曲向 β-折疊的轉(zhuǎn)變。

2.4 SF氣凝膠的結(jié)晶結(jié)構(gòu)分析

圖5示出SF-U、SF-S氣凝膠的XRD譜圖。可以看出，SF-U和SF-S氣凝膠均在 2θ為9.1°和22.5°處出現(xiàn)了特征衍射峰，分別對(duì)應(yīng)silk II 和silk I 構(gòu)象[38-39]。此外，SF-U氣凝膠在2θ為20.3°附近出現(xiàn)了比較尖銳的特征衍射峰，為典型的silk II 構(gòu)象衍射信號(hào)[38]，采用Herman法計(jì)算SF-U氣凝膠的結(jié)晶度為49.33%。SF-S氣凝膠在2θ為19.7°附近出現(xiàn)了較寬的衍射峰，該峰位與silk I 構(gòu)象相對(duì)應(yīng)[40]，經(jīng)計(jì)算其結(jié)晶度為38.54%。這主要是因?yàn)槟蛩亟档土嗣撃z對(duì)SF肽鏈的損傷，溶解制備的SF相對(duì)分子質(zhì)量較高，在水溶液中易于聚集，經(jīng)冷凍和冷凍干燥后形成了規(guī)整的silk II 結(jié)構(gòu)(即 β-折疊)可提高SF氣凝膠的結(jié)晶度，這與SF氣凝膠二極結(jié)構(gòu)的FT-IR分析結(jié)果相一致。綜上，SF-U 氣凝膠具有更為顯著的silk II 構(gòu)象特征，且結(jié)晶度較高，使得分子具有高水平的取向，阻礙了分子鏈的滑動(dòng)，從而改善了SF-U氣凝膠的壓縮性能。

圖5 SF-U和SF-S氣凝膠的XRD譜圖Fig.5 XRD spectra of SF-U and SF-S aerogels

3 結(jié) 論

1) 基于尿素脫膠蠶絲，絲素蛋白(SF)的溶解、透析、稀釋以及冷凍干燥等工藝制備得到密度為(13.43±0.77) mg/cm3的SF氣凝膠。

2) 非堿性體系的尿素脫膠減少了脫膠對(duì)SF的損傷，溶解制備的SF相對(duì)分子質(zhì)量較大，在溶液中易于聚集，經(jīng)冷凍干燥后形成了穩(wěn)定的立體骨架結(jié)構(gòu)，且SF氣凝膠二級(jí)結(jié)構(gòu)中的無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)向 β-折疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，具有典型的silk II構(gòu)象，結(jié)晶度提高，進(jìn)而改善了SF氣凝膠的力學(xué)性能。

3) 壓縮形變?yōu)?0% 時(shí)，尿素脫膠制備的SF氣凝膠的壓縮強(qiáng)度和壓縮模量分別為(32.36±2.35)和(119.31 ± 8.93) kPa，遠(yuǎn)高于碳酸鈉脫膠制備的SF氣凝膠。