角蛋白/絲素多孔復合材料的制備及其結(jié)構(gòu)性能研究*

張 旭，楊旭紅,2

(1.蘇州大學紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215021；2.南通紡織絲綢產(chǎn)業(yè)技術研究院，江蘇 南通 226321)

家禽羽毛中大約有90%是角蛋白，是產(chǎn)量豐富、易于獲取的天然蛋白質(zhì)資源。全世界每年產(chǎn)生的羽毛廢棄物約為136 萬t，通常被當作垃圾焚燒或填埋[1]。這不僅是對蛋白質(zhì)資源的浪費，還會滋生細菌、污染環(huán)境，危害人類健康。因此，對廢棄羽毛合理開發(fā)利用，提高羽毛角蛋白附加值顯得尤為重要，已成為研究熱點。

角蛋白作為一種高附加值、環(huán)境相容的物質(zhì)，可應用于生物醫(yī)用[2]、吸附劑[3]、織物功能性整理[4]等領域。但是，角蛋白在應用過程中常受到力學性能較差等問題的制約，常與其他材料共混制備復合材料。錢迅南等人[5]將角蛋白溶液與纖維素納米微晶混合通過澆鑄法制備染料吸附膜。Wang等人[6]將從人頭發(fā)中提取的角蛋白與聚氨酯共混靜電紡絲，并在原位制備銀納米粒子，得到的復合納米纖維膜用于傷口敷料領域。Saucedo-Rivalcoba等人[7]采用澆鑄法將合成的聚氨酯與還原法提取的羽毛角蛋白溶液混合制備角蛋白/聚氨酯共混膜。Katoh等人[8]以飽和硫酸鈉溶液為凝固浴，采用濕法紡絲技術制備了角蛋白/PVA共混纖維，并用于甲醛的吸附。Gore等人[9]以CaCl2為交聯(lián)劑，將羊毛角蛋白和尼龍6溶解在甲酸溶液中制備內(nèi)部具有微孔結(jié)構(gòu)的角蛋白/尼龍6微球。

絲素溶液經(jīng)冷凍干燥后具有較強的力學性能，且絲素本身就是一種蛋白質(zhì)，具有生物相容性和生物可降解性，與角蛋白復合不僅能大大提高材料的力學性能，還可以進一步拓寬角蛋白在組織工程和吸附劑等領域的應用。Tu等人[10]以丙三醇為增塑劑，將角蛋白和絲素溶液共混制備性能可調(diào)的生物相容性角蛋白/絲素共混膜。研究發(fā)現(xiàn)，角蛋白與絲素溶液的混合比例對復合膜的力學性能有較大影響。

本研究將低共熔溶劑法提取的非水溶性角蛋白(FK)與絲素(SF)溶液混合，以十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)為凝膠劑，采用冷凍干燥技術制備FK/SF多孔復合材料。對材料進行了掃描電子顯微鏡(SEM)、傅立葉變換紅外光譜(FTIR)、X射線衍射(XRD)、熱重法(TGA)、差示掃描量熱法(DSC)等系列表征，探究FK/SF多孔復合材料的形貌結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、密度孔隙率、力學性能、熱穩(wěn)定性。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

羽毛來源于蘇州農(nóng)貿(mào)市場。家蠶生絲由南通市春秋絲綢有限公司提供。角蛋白透析袋購自蘇州蘇科精益儀器有限公司，理論截留分子量為1 kDa。絲素透析袋購自上海源葉生物科技有限公司，理論截留分子量為8 kDa。氯化膽堿(ChCl)和草酸(OA)為分析純級試劑，分別購自上海市麥克林生化科技有限公司和泰坦科技股份有限公司。十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)購于國藥集團化學試劑有限公司。24孔細胞培養(yǎng)板購自南通市蘇品實驗器材有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 角蛋白提取

將ChCl和OA以摩爾比1∶2混合，放置在恒溫水浴振蕩器中，在75 ℃的條件下加熱振蕩30 min，得到無色透明的溶液——低共熔溶劑(DES)。將10 g剪碎的雞毛加入裝有200 g DES的錐形瓶并完全浸沒于DES中，于80 ℃溶解6 h。反應結(jié)束后用濾布過濾出未溶解的雞毛殘渣，將濾液倒入截留分子量1 kDa的透析帶中，透析4 d，每天換水5次。透析完成后，將溶液靜置，取底部不溶于水的角蛋白，配制成質(zhì)量分數(shù)為2.5%的懸濁液。

1.2.2 絲素溶液制備

稱取3 g碳酸鈉加入6 L去離子水中煮沸后，將150 g生絲加入沸水中煮30 min后，取出，用去離子水沖洗干凈，重復上述操作3遍。將脫膠后的蠶絲在60 ℃的烘箱中烘干，密封備用。量取100 mL濃度為9.3 mol/L的溴化鋰溶液，稱取脫膠蠶絲15 g倒入其中并完全浸漬，在50 ℃和轉(zhuǎn)速150 r/min的條件下溶解30 min。將溶解的絲素倒入截留分子量為8 kD的透析袋中，透析3 d，每天換水5次。待透析完成后用紗布過濾，放入60 ℃烘箱中濃縮至所需濃度，取出放入4 ℃的冰箱中冷藏備用。

1.2.3 FK/SF多孔復合材料制備

將角蛋白懸濁液與不同質(zhì)量分數(shù)(5%～9%)的絲素溶液按照質(zhì)量比為3∶2的比例混合，放入磁力攪拌器上以300 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌4 h，配制質(zhì)量分數(shù)為4%的CTAB溶液，在混合體系中加入角蛋白和絲素混合溶液總質(zhì)量10%的CTAB溶液作為凝膠劑，每次用移液槍取2.5 mL到24孔細胞培養(yǎng)板中，取樣完成后將24孔板迅速放入超低溫冰箱中冷凍24 h，然后放入冷凍干燥機中，在-50 ℃和真空度<10 Pa的條件下干燥48 h，獲得FK/SF多孔復合材料。

1.3 測試與表征

1.3.1 形貌特征

利用TM3030掃描電子顯微鏡(日本日立高新技術有限公司)在加速電壓為3 kV的條件下觀察FK/SF多孔復合材料的表面形貌。測試前用導電膠將試樣固定在測試臺上，并噴金90 s。

1.3.2 傅立葉變換紅外光譜

在Nicolet 5700傅立葉紅外光譜儀(美國賽默飛世爾科技公司)上用溴化鉀壓片法測試樣品的紅外光譜，掃描波長范圍為500～4 000 cm-1，掃描次數(shù)為16次。

1.3.3 X射線衍射光譜

將適量粉末狀樣品加到樣品臺上，將樣品表面壓平后放入D8 Advance X射線衍射儀(德國布魯克公司)，掃描角度范圍2θ=5°～50°，步長為0.02°，掃描速度為0.5 (°)/min。

1.3.4 熱重分析和差示掃描量熱法

將適量粉末加入坩堝中置于SDT Q600熱分析儀(美國TA公司)中，溫度范圍為25～600 ℃，升溫速率為10 ℃/min，氮氣流速為20 mL/min。

1.3.5 密度和孔隙率測定

本文采用液體置換法測量FK/SF多孔復合材料的密度和孔隙率，以無水乙醇作為替代液體[11]。在溫度為30 ℃條件下，將質(zhì)量為M0的樣品浸漬在裝有V0體積乙醇的量筒中，在真空干燥箱中抽真空排除多孔材料內(nèi)部氣泡使其充分浸漬，記錄體積V1。將多孔材料從量筒中取出，記錄此時量筒內(nèi)乙醇體積V2。(V1-V0)和(V0-V2)分別為FK/SF多孔復合材料的骨架和孔的體積。因此，F(xiàn)K/SF多孔復合材料總體積=(V1-V0)+(V0-V2)=V1-V2。FK/SF多孔復合材料密度(d)計算見式(1)，孔隙率(P)計算見式(2)。

(1)

(2)

式(1)、(2)中：M0——樣品質(zhì)量，mg；

V0——樣品投入前乙醇體積，mL；

V1——樣品浸漬后乙醇體積，mL；

V2——樣品取出后乙醇體積，mL。

1.3.6 力學性能測試

將高度為10 mm的測試樣品放在INSTRON-3365萬能力學材料試驗機(美國英斯特朗公司)上測試，測試參數(shù)設定為壓縮速度6 mm/min，壓縮距離為6 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌結(jié)構(gòu)

圖1顯示的是在SF=7%、CTAB=4%、冷凍溫度-40 ℃條件下冷凍干燥制備的FK/SF多孔復合材料的形貌結(jié)構(gòu)特征。從圖1可以看出，F(xiàn)K/SF多孔復合材料具有良好的多孔性，孔隙相互連通，具有較高的孔隙率和較大的比表面積，拓寬了材料在吸附、組織工程等方面的應用。勻質(zhì)的表面孔隙形態(tài)說明在CTAB快速凝膠的作用下，角蛋白和絲素形成了分布均勻的混合結(jié)構(gòu)。

(a)放大200倍

2.2 分子結(jié)構(gòu)

圖2顯示的是角蛋白、絲素及其多孔復合材料的FT-IR圖譜。從圖中可以看出，角蛋白、絲素及其多孔復合材料在3 303 cm-1、1 654 cm-1、1 530 cm-1和1 239 cm-1附近均有特征峰，分別對應酰胺A、酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ、酰胺Ⅲ條帶，說明制備的FK/SF多孔復合材料仍保持蛋白質(zhì)分子鏈的基本骨架。3 303 cm-1處吸收帶是由-OH和-NH的伸縮振動引起，1 654 cm-1處吸收峰由于肽鏈中C=O伸縮振動引起，1 534 cm-1、1 520 cm-1處吸收峰是由于N-H彎曲振動引起，1 239 cm-1處特征吸收峰是由C-N伸縮振動引起[12]。

圖2 角蛋白、絲素及其多孔復合材料的FT-IR光譜

2.3 結(jié)晶結(jié)構(gòu)

圖3顯示的是角蛋白、絲素及其多孔復合材料的XRD圖譜。據(jù)文獻報道，角蛋白在9°和17.8°處對應的是α-螺旋結(jié)構(gòu)；9°和19°對應的是β-折疊結(jié)構(gòu)[13-14]。蠶絲中含有Silk Ⅰ(α-螺旋β-轉(zhuǎn)角)和Silk Ⅱ(β-折疊)兩種結(jié)構(gòu)，12.2°、19.7°和24.7°附近的衍射峰對應Silk Ⅰ結(jié)構(gòu)，9.1°、18.9°和20.7°附近的衍射峰對應Silk Ⅱ結(jié)構(gòu)[15]。從圖中可以看出，角蛋白在8.9°和19°附近有明顯的衍射峰，對應角蛋白的β-折疊結(jié)構(gòu)；絲素蛋白以無定型峰為主，無明顯結(jié)晶峰，說明提取得到的絲素蛋白主要為無規(guī)則線團結(jié)構(gòu)。FK/SF多孔復合材料仍保持角蛋白兩個特征衍射峰，19°附近的衍射峰向右偏移到20.4°附近，這可能是角蛋白和絲素共同作用的結(jié)果。

圖3 角蛋白、絲素及其多孔復合材料的XRD圖譜

2.4 熱穩(wěn)定性

圖4顯示的是角蛋白、絲素及其多孔復合材料的熱穩(wěn)定性。圖4(a)是角蛋白、絲素及其多孔復合材料在25～600 ℃范圍內(nèi)的TGA圖，隨著溫度的上升，F(xiàn)K、SF及其多孔復合材料質(zhì)量逐漸下降。熱分解過程分為3個階段。第一階段在25～150 ℃之間，這是由于樣品中水分的流失，此階段FK、SF及其多孔復合材料失重率分別為8.36%、8.13%和9.13%。第二階段是主要裂解階段，發(fā)生在150～400 ℃之間，F(xiàn)K、SF及其多孔復合材料的熱分解殘留質(zhì)量均隨著溫度的上升而急劇減少，這一階段主要是蛋白質(zhì)內(nèi)部大分子結(jié)構(gòu)受熱產(chǎn)生的熔融分解造成的[16]，F(xiàn)K、SF及其多孔復合材料失重率分別為48.89%、40.63%、46.31%。第三階段是殘渣裂解階段，發(fā)生在400～600 ℃之間，在此階段FK、SF及其多孔復合材料失重率分別為10.80%、12.03%、12.66%，殘余物裂解為分子量較小的揮發(fā)性化合物[17]。FK熱分解溫度為141.34 ℃，SF熱分解溫度為211.02 ℃，F(xiàn)K/SF(CTAB)熱分解溫度為190.57 ℃。

(a)TGA

圖4(b)是FK、SF及其多孔復合材料在200～285 ℃范圍內(nèi)的DSC曲線，F(xiàn)K吸熱峰出現(xiàn)在243.46 ℃處，該峰與角蛋白的降解有關[18]。SF吸熱峰出現(xiàn)在278.67 ℃處，這歸因于取向雜亂的絲素蛋白分子鏈發(fā)生熱分解[19]。FK/SF多孔復合材料吸熱峰出現(xiàn)在277.31 ℃處，其熱學性能與純絲素非常相似，進一步說明將角蛋白與絲素按照一定比例混合時，兩者之間形成了微弱的作用力[20]。TGA中熱分解溫度和DSC中吸熱峰位置均表明SF熱穩(wěn)定性>FK/SF(CTAB)熱穩(wěn)定性>FK熱穩(wěn)定性。

2.5 絲素含量對FK/SF多孔復合材料結(jié)構(gòu)和力學性能的影響

孔隙結(jié)構(gòu)對多孔材料的質(zhì)量和比表面積的大小有直接影響，不同的孔隙結(jié)構(gòu)決定多孔材料的應用領域。具有良好的力學性能是材料得以大范圍應用的前提，角蛋白在應用過程中常受到力學性能較差等問題的制約，而絲素溶液經(jīng)冷凍干燥制成的材料具有較強的力學性能，且不同絲素質(zhì)量分數(shù)對復合材料的力學性能有較大的影響。

圖5顯示的是絲素質(zhì)量分數(shù)對FK/SF多孔復合材料的密度和孔隙率的影響。FK/SF多孔復合材料是角蛋白/絲素混合體系經(jīng)過冷凍后進行真空干燥的結(jié)果，真空干燥時在水分升華和負壓共同作用下，復合材料產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出，隨著絲素質(zhì)量分數(shù)不斷提高，F(xiàn)K/SF多孔復合材料的孔隙率不斷下降，密度逐漸增加。這是由于絲素質(zhì)量分數(shù)越高，分子間距離縮小，處于無規(guī)則卷曲的鏈段相互交叉構(gòu)成連續(xù)的溶液相，冷凍過程中連續(xù)的溶液相上產(chǎn)生冰核，單位體積內(nèi)冰核數(shù)量直接影響多孔復合材料孔密度，冰核數(shù)量越多，冷凍干燥得到的多孔復合材料的孔密度越大[21]。

圖5 不同絲素質(zhì)量分數(shù)制備的FK/SF多孔復合材料密度和孔隙率

圖6顯示的是不同絲素質(zhì)量分數(shù)制備的FK/SF多孔復合材料在應變?yōu)?0%時的壓縮強度。從圖中可以看出，隨著絲素質(zhì)量分數(shù)的增加，F(xiàn)K/SF多孔復合材料的壓縮強度逐漸增大。由此說明，F(xiàn)K/SF多孔復合材料的力學性能與共混比例相關，可通過調(diào)節(jié)絲素質(zhì)量分數(shù)來改善材料的力學性能。這是由于隨著絲素質(zhì)量分數(shù)增加，在低溫冷凍干燥過程中，材料的孔徑逐漸變小，孔密度增大，孔隙率減小，材料更加密實，壓縮相同的位移所需的外力越大。

3 結(jié)論

(1)將角蛋白與絲素溶液混合，以CTAB為凝膠劑，采用冷凍干燥技術可以制備出相互貫通的三維立體狀孔隙結(jié)構(gòu)的FK/SF多孔復合材料。

(2)FK/SF多孔復合材料保持蛋白質(zhì)分子鏈的基本骨架和角蛋白兩個特征衍射峰，19°附近的衍射峰向右偏移到20.4°附近。

(3)TGA中熱分解溫度和DSC中吸熱峰的位置均表明SF熱穩(wěn)定性>FK/SF(CTAB)熱穩(wěn)定性>FK熱穩(wěn)定性。

(4)隨著SF含量的增加，F(xiàn)K/SF多孔復合材料的孔隙率逐漸下降，密度逐漸增加，壓縮強度逐漸增大。