絲素蛋白/殼聚糖共混膜的制備及研究

陽辰峰，林海濤，凌新龍，陳銘遠(yuǎn)，趙心雨

（廣西科技大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

0 引言

絲素蛋白主要來源于蠶絲纖維，具備良好的生物相容性、生物穩(wěn)定性以及可降解性[1-2]，同時(shí)也具備一定的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能[3-4]。殼聚糖是甲殼素脫乙酰后的產(chǎn)物，具有良好的生物降解性、細(xì)胞親和性和生物效應(yīng)等許多獨(dú)特的性質(zhì)。

近年來，隨著人造醫(yī)用生物膜的需求增大，絲素蛋白醫(yī)用膜材料得到了廣泛的研究，被應(yīng)用到藥物載體、生物傳感器、敷料等領(lǐng)域。Li 等[5]制備絲素蛋白/殼聚糖共混膜培養(yǎng)大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)該材料不僅為大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的生長和增殖提供了可比的環(huán)境，而且還促進(jìn)了它們的成骨和成脂分化。薛豪杰[6]制備了低溶脹的絲素蛋白/殼聚糖膜，通過加入絲素蛋白去解決了殼聚糖膜的高溶脹性，并提高了共混膜的力學(xué)性能。Park 等[7]采用殼聚糖對桑蠶絲中的絲素蛋白膜進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)殼聚糖可以很好地提高復(fù)合膜的強(qiáng)度。

本研究通過研究殼聚糖與絲素蛋白成膜比例以及不同濃度殼聚糖膜的性能，找出性能相比更佳的絲素蛋白/殼聚糖共混膜，以克服純絲素膜的缺陷。

1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料有蠶繭（廣西鹿寨縣貴盛繭絲工貿(mào)有限公司）、無水碳酸鈉（分析純、國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、氯化鈣（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、無水乙醇（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、殼聚糖（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、聚乙二醇20000（化學(xué)純、國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、去離子水（廣西科技大學(xué)自制）等。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器有YB71 型旦尼爾電子天平（常州市幸運(yùn)電子設(shè)備有限公司產(chǎn)）、SHA-C 水浴恒溫振蕩器（鄭州生元儀器有限公司）、Y（B）802N 八籃恒溫烘箱（溫州大榮紡織儀器有限公司）、Nicolet5700 型紅外光譜儀（美國熱電尼高力儀器公司產(chǎn)）、S-570 型掃描電子顯微鏡（日本日立公司）、E44.204 微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)[美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司]、X'Pert-Pro型全自動(dòng)X-射線衍射儀（荷蘭PANalytical 公司）等。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 脫膠

將蠶繭用去離子水沖洗3 次，清洗表面的灰塵與雜質(zhì)。配置適量濃度為5g/L 的NaHCO3，將清洗干凈的桑蠶繭按浴比1∶50 添加到溶液中，溫度控制在100℃左右、脫膠時(shí)間30min 的條件下脫膠2～3 次，然后用去離子水清洗2～3 次，放入80℃的烘箱中干燥2h。

“日日順物流的初衷就是創(chuàng)造美好生活，帶給人們幸福，這才是我們的核心價(jià)值。”王一鐸說。用戶的體驗(yàn)是最重要的，這要求我們必須要有很強(qiáng)大的資源和網(wǎng)絡(luò)，要標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、智能化。在這個(gè)過程中，我們給用戶的是全流程、全場景的解決方案。

2.2 絲素蛋白溶液的制備

本研究采用氯化鈣—水—乙醇三元體系去溶解絲素蛋白。將絲素蛋白纖維溶解在摩爾比為1∶2∶8 的CaCl2∶CH3CH2OH∶H2O 三元溶液中，浴比為1∶10，于80℃水浴中攪拌溶解3h。待上述溶液冷卻至室溫后將其倒入透析袋中，置于自來水中透析一天，去離子水中透析2 天。透析結(jié)束后將溶液放入30%的聚乙二醇溶液中進(jìn)行濃縮，然后在11000r/min 的條件下離心10min，所得上層清液即為絲素蛋白溶液。

2.3 殼聚糖溶液的制備

制備0.5mol/L 的乙酸溶液，將適量殼聚糖加入乙酸溶液中進(jìn)行攪拌溶解，直至殼聚糖全部溶解。將混合溶液放入4℃冰箱冷藏消泡以備用。

2.4 絲素蛋白（SF）/殼聚糖（CS）復(fù)合膜的制備

將濃度為4%的絲素蛋白溶液與不同濃度1%、2%、3%、4%的殼聚糖按照不同的混合比例進(jìn)行混合制備殼聚糖含量為3∶1、1∶1、1∶3 的共混膜，并制作純絲素蛋白膜以及不同濃度純殼聚糖膜作為對照。采用延流法鋪膜，注意平整去泡，室溫下自然風(fēng)干兩天，使其成膜。

3 測試表征

3.1 掃描電鏡觀察

將蠶絲樣品貼于粘有導(dǎo)電膠的樣品臺(tái)上，噴金30s，然后采用Phenom Pro X 臺(tái)式掃描電鏡對樣品進(jìn)行形貌觀察，測試電壓為10.0kV。

用剪刀將樣品剪成粉末狀，采用X'Pert-Pro 型X射線衍射儀進(jìn)行測試，其中，X 射線光源為CuK α 射線，電壓40kV，電流25mA，掃描速度10°/min，掃描范圍5°～50°。

3.3 紅外光譜測試

用剪刀將樣品剪成粉末狀，取適量加入至KBr 粉末中，充分?jǐn)嚢柩心ズ笾瞥蓧浩?，采用Nicolet 5700 智能傅里葉紅外光譜儀（FTIR）對其進(jìn)行測試，范圍為400～4000cm-1，分辨率為4cm-1，掃描次數(shù)為64 次。

3.4 力學(xué)性能測試

利用美特斯公司E44.204 微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸測試，將樣品制成40mm×10mm 的長條，拉伸速度為20mm/min，每個(gè)樣品測試10 組數(shù)據(jù)，得到樣品薄膜的拉伸強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)度、模量和斷裂伸長率的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過如下公式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出實(shí)際斷裂強(qiáng)度，繪制出應(yīng)力應(yīng)變曲線。

斷裂強(qiáng)力（MPa）=F/bd

式中，F(xiàn)-薄膜拉伸斷裂強(qiáng)力，N

b-薄膜的有效寬度，mm

d-薄膜的有效厚度，mm

3.5 膜潤濕性表征

采用接觸角測量儀測試了SF/CS 復(fù)合膜的接觸角。分別測量每個(gè)樣品中5 個(gè)不同位置的接觸角取平均值作為接觸角。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 形貌觀察

由圖1 的a、b、c 和d 樣可以看出，隨著殼聚糖濃度的增加，3%、4%濃度的殼聚糖膜表面白色顆粒逐漸增多，表明隨著殼聚糖濃度的增高，殼聚糖表面會(huì)變得粗糙，2%濃度CS 膜的均勻度較好；由e 樣可以看出，SF 膜表面是相對光滑的；由圖1 的f、g 和h 樣可以看出，SF/CS 共混膜隨著殼聚糖濃度的增加，在高比例的共混膜表面會(huì)出現(xiàn)白色殼聚糖顆粒，可能因?yàn)闅ぞ厶欠植嫉牟痪鶆蛐栽斐赡け砻娲植凇?/p>

圖1 不同濃度的殼聚糖（CS）膜、絲素蛋白（SF）膜以及SF/CS 膜電鏡圖 [a.1%cs、b.2%cs、c.3%cs、d.4%cs、e.SF、f.（CS/SF1∶3）、g.（CS/SF1∶1）、h.（CS/SF3∶1）]

4.2 潤濕性表征

由圖2 可以看出，CS 膜具有一定的親水性，隨著殼聚糖濃度的增加，殼聚糖膜的接觸角先增大后減小，其中2%CS 膜接觸角最大，達(dá)到86.103°；絲素膜的接觸角為54.9°，具有優(yōu)異的親水性，說明在水環(huán)境中，絲素膜很容易水解，結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定；SF/CS 共混膜能夠改善純絲素膜的親水性，隨著殼聚糖含量的增加，共混膜的接觸角得到了顯著的提升，在2%CS∶SF 為1∶1時(shí)達(dá)到了74.478°，說明隨著殼聚糖的加入能夠有效地提高共混膜的疏水性，有效加強(qiáng)了共混膜在中性水環(huán)境下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖2 不同濃度的殼聚糖（CS）膜、絲素蛋白（SF）膜以及SF/CS 膜接觸角圖

4.3 結(jié)構(gòu)組成分析

有研究表明[8-10]，絲素蛋白的結(jié)晶峰型主要有兩種，一種為亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的Silk Ⅰ結(jié)構(gòu)，主要由α-螺旋組成，一種為結(jié)晶度較高的Silk Ⅱ結(jié)構(gòu)，主要由β-折疊組成。由圖3 可以看出，殼聚糖濃度的變化對于膜結(jié)構(gòu)的影響不大，特征峰強(qiáng)度沒有明顯的變化，說明膜的結(jié)晶度不會(huì)隨著濃度的變化而變化。由圖可以看出，純絲素膜在8.6°、22.6°、16.2°附近出現(xiàn)了屬于SilkⅡ結(jié)構(gòu)的衍射峰，在11.6°附近出現(xiàn)了屬于Silk Ⅰ結(jié)構(gòu)的衍射峰，但是衍射峰強(qiáng)度較弱，說明絲素蛋白膜主要是以無卷曲結(jié)構(gòu)為主，存在有一定的α-螺旋結(jié)構(gòu)和β-折疊結(jié)構(gòu)。隨著CS 含量的增加，SF/CS 共混膜的衍射曲線并未出現(xiàn)新的結(jié)晶峰，在8.6°、11.6°、16.2°的特征峰得到了增強(qiáng)，可能隨著殼聚糖含量的增加能誘導(dǎo)絲素/殼聚糖共混膜中絲素結(jié)構(gòu)從無規(guī)則卷曲向α-螺旋結(jié)構(gòu)和β-折疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，也有可能只是二者峰型的疊加狀態(tài)，說明在絲素蛋白中添加殼聚糖并不會(huì)引起晶型變化，兩者具有良好的相容性以及穩(wěn)定性。當(dāng)SF與CS 比為1∶1 時(shí)兩者的相容性達(dá)到最佳。

圖3 不同濃度的殼聚糖（CS）膜、絲素蛋白（SF）膜以及SF/CS 膜XRD 圖

4.4 力學(xué)性能分析

由表1 可知，SF 膜的斷裂強(qiáng)度較小，斷裂伸長率較小，但有良好的模量，具有良好的機(jī)械性能；CS 膜因結(jié)晶度較低，在外力作用下，分子間會(huì)產(chǎn)生相對滑移，具有較好的斷裂伸長率，但也同時(shí)導(dǎo)致其模量的下降，強(qiáng)度最高為2%CS 膜，達(dá)到54.545MPa±1.515MPa；CS/SF 膜相對于SF 膜來說，力學(xué)性能得到了改善，機(jī)械性能得到了提升，斷裂強(qiáng)度為52.133MPa±4.765MPa，斷裂伸長率達(dá)到了8.640%左右。由圖4 可以看出SF 膜具有較高的模量，CS 膜具有很好的屈服性，說明材料具有很好的彈性形變，加入CS 有效地改善了力學(xué)性能，力學(xué)性能的提升也進(jìn)一步說明CS/SF共混膜結(jié)構(gòu)的均勻性以及兩種混合材料有著良好的相容性。

表1 不同材料的力學(xué)性能

圖4 應(yīng)力應(yīng)變圖

5 結(jié)語

5.1 在本研究對比試樣中，殼聚糖濃度在2%時(shí)成膜效果最佳，其表面相對光滑，物質(zhì)分散均勻，且具有較好的親水性，接觸角為86.103°。其力學(xué)性能最佳，斷裂強(qiáng)度達(dá)到54.545±1.515/MPa，斷裂伸長率達(dá)到87.310%左右。

5.2 在本研究對比試樣中，在殼聚糖濃度為2%的前提下，SF∶CS 比例為1∶1 情況下性能最優(yōu)：一是有效地改善純SF 膜的易親水性，接觸角達(dá)到74.478°，有效加強(qiáng)了膜在中性水環(huán)境下的穩(wěn)定性；二是改善了SF 膜較差的力學(xué)性能，斷裂強(qiáng)度為52.133±4.765/MPa，斷裂伸長率為8.640±0.451（%）。