黃 建，劉 琳，姚菊明

(浙江理工大學(xué) 先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018)

靜電紡再生絲素蛋白納米纖維膜的工藝及性能

黃 建，劉 琳，姚菊明

(浙江理工大學(xué) 先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018)

以甲酸為溶劑，利用靜電紡絲法制備了再生絲素蛋白納米纖維膜，系統(tǒng)地研究了紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、紡絲電壓、紡絲液流速及接收距離對纖維形貌和直徑的影響。結(jié)果表明，在制備直徑250 nm以下、表面光滑且均勻的纖維時(shí)，紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和電壓是影響纖維形貌和直徑的2個(gè)主要因素，且體積分?jǐn)?shù)90 %乙醇溶液處理能促進(jìn)絲素蛋白纖維的結(jié)構(gòu)從無規(guī)卷曲為主向β-折疊構(gòu)象轉(zhuǎn)變。在優(yōu)化的工藝條件下制備的絲素蛋白納米纖維膜，經(jīng)過后處理后具有較低的吸水性及良好的透濕性，能夠承受潮濕的水環(huán)境。此外，經(jīng)過乙醇處理的絲素蛋白納米纖維膜具有良好的力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和楊氏模量分別為(12.9±3.1) MPa，(10.5±1.9) %和(309±41) MPa。

靜電紡絲；絲素蛋白；納米纖維膜；吸水率；透濕率；拉伸模量

靜電紡絲是一種簡單而有效地獲得直徑為幾十納米到幾百納米超細(xì)纖維的方法。通過將高壓靜電場加到聚合物溶液或者熔體內(nèi)，使電場拉伸力克服聚合物液滴表明張力，形成噴射并在電場中得到進(jìn)一步拉伸，最后在接收板上得到納米纖維。用靜電紡絲技術(shù)制得的納米纖維膜具有較大的比表面積和較高的孔隙率，因而可用于防護(hù)織物、過濾材料、功能性服飾、組織工程支架、生物醫(yī)用材料等[1-5]。

蠶絲蛋白是一種天然高分子，具有良好的透氣性、透濕性、生物相容性、生物可降解性及良好的力學(xué)性能，所以被廣泛應(yīng)用于組織工程、藥物釋放、傷口敷料、人工皮膚等[6-9]。此外，作為細(xì)胞培養(yǎng)基質(zhì)還可以促進(jìn)細(xì)胞黏附、增殖和分化[4]。本研究用靜電紡絲的方法，將再生絲素溶于無水甲酸，制備了再生絲素蛋白納米纖維膜；系統(tǒng)地研究了紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、電壓、紡絲液流速和接收距離等對纖維形貌和直徑的影響；在優(yōu)化的條件下，制備了絲素蛋白納米纖維膜，對其吸水性、透濕性及力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 紡絲液的制備

將蠶繭剪成碎片并除去蛹和雜質(zhì)，將其置于5 g/L碳酸氫鈉水溶液中(浴比為1∶100)煮沸30 min進(jìn)行脫膠，然后再用清水煮沸30 min，趁熱用蒸餾水充分洗滌，如此重復(fù)3次。取脫膠絲素纖維溶于CaCl2/C2H5OH/H2O(摩爾比為1∶2∶8)三元體系中，在70 ℃下溶解2 h。然后倒入透析袋中，用去離子水透析3 d。最后將透析完畢的絲素蛋白溶液在培養(yǎng)皿上鋪膜，室溫下自然干燥，得到再生絲素蛋白膜。稱取一定量的再生絲素蛋白膜溶于無水甲酸，配制紡絲液。

1.2 靜電紡絲

在室溫下，配制再生絲素蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18 %～24 %不同紡絲液，將其轉(zhuǎn)移到噴絲口直徑為0.9 mm、體積規(guī)格為10 mL的注射器中，在不同的電壓、紡絲液流速、接收距離等條件下進(jìn)行靜電紡絲，研究各個(gè)參數(shù)對纖維形貌和直徑的影響，并對制得的再生絲素蛋白納米纖維膜用體積分?jǐn)?shù)90 %的乙醇溶液進(jìn)行后處理。

1.3 測試和表征

所有樣品經(jīng)過表面鍍金處理后在JSM-5610型掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察其形貌，掃描電壓為15 kV，然后用Image-Pro Plus?圖像分析軟件測量纖維的直徑。利用Nicolet-5700型傅立葉紅外光譜分析儀(FT-IR)分析絲素蛋白纖維的構(gòu)象變化，記錄范圍為2 000 cm-1～800 cm-1。

吸水率的測定是將纖維膜切成面積為10 mm×10 mm的小塊，將樣品在105 ℃下干燥2 h，稱重(W1)，然后將樣品侵入蒸餾水中吸水1 h，用濾紙吸去樣品表面附著的水分，稱重(W2)。計(jì)算樣品的吸水率：

透濕性的測定是將樣品置于溫度(38±0.5)℃，濕度(39±2)%的恒溫恒濕試驗(yàn)箱內(nèi)，經(jīng)2 h平衡后稱量組合體的質(zhì)量。然后每隔1 h稱量并記錄組合體的質(zhì)量。計(jì)算試樣的透濕性：

式中：ΔW為失重，g；S為透濕面積，mm2；H為2次稱量的時(shí)間間隔，h。

用KES-G1型多功能拉伸儀測試?yán)w維膜的力學(xué)性能，樣品的規(guī)格為5 mm×40 mm×0.1 mm，每組測試樣品為10個(gè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對纖維形貌和直徑的影響

在電壓為18 kV、紡絲液流速6 μL/min及接收距離為10 cm的條件下，分別對溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18 %、20 %和22 %的紡絲液進(jìn)行紡絲。SEM結(jié)果(圖1)顯示，隨著紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，再生絲素蛋白納米纖維直徑呈上升趨勢。當(dāng)紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18 %時(shí)，纖維雜亂分支且不均勻；當(dāng)紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20 %時(shí)，可得到表面光滑的纖維，平均直徑在230 nm左右；當(dāng)紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到22 %時(shí)，纖維直徑在250～360 nm之間。因此，紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響纖維形貌和直徑的重要因素之一，這是由于隨著紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，紡絲液黏度增大，紡絲過程中要克服的溶液表面張力隨之提高而分化困難，噴絲流在電場中的分化能力減弱，導(dǎo)致纖維直徑增大，分布不均勻。

圖1 不同紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)得到的纖維電鏡照片和直徑Fig.1 SEM images of nanof i bers with different concentration of spinning solution and distribution of diameter

2.2 電壓對纖維形貌和直徑的影響

在紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)20 %、流速6 μL/min及接收距離為10 cm的條件下，分別在15、18和20 kV下進(jìn)行紡絲。SEM結(jié)果(圖2)顯示，隨著紡絲電壓的升高，纖維的平均直徑下降，偏差減小。當(dāng)紡絲電壓為15 kV時(shí)，纖維較粗，平均直徑約為455 nm，且分布不勻，纖維間黏連明顯。這是由于在較低電壓下，噴射流所帶的電荷密度小，纖維分化能力弱，溶劑殘留在纖維間而發(fā)生黏連。當(dāng)電壓增大到18 kV和20 kV時(shí)，纖維間黏連消失，直徑變小且表面光滑，偏差也變小。這是由于高電壓使得噴射流的電荷密度提高，纖維的分化能力增強(qiáng)。此外，當(dāng)接收距離一定時(shí)，升高電壓使得場強(qiáng)增大，有利于纖維的拉伸，從而導(dǎo)致纖維直徑的變小。

圖2 不同紡絲電壓得到的纖維電鏡照片和直徑分布Fig.2 SEM images of nanof ibers with different supplied voltage and distribution of diameter

圖3 不同紡絲液流速得到的纖維電鏡照片和直徑分布Fig.3 SEM images of nanof ibers with different fl owing rate and distribution of diameter

2.3 紡絲液流速和接收距離對纖維形貌和直徑的影響

在紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)20 %和電壓18 kV的條件下，分別研究了紡絲液流速為4、6和8 μL/min及接收距離為7、10和12 cm時(shí)的纖維形貌和直徑。SEM結(jié)果(圖3)顯示，當(dāng)紡絲液流速為4、6 μL/min時(shí)，纖維直徑變化不大，但當(dāng)紡絲流速增大到8 μL/min時(shí)，纖維平均直徑增大到約335 nm，這是由于紡絲流速過快，導(dǎo)致纖維在到達(dá)接收器之前來不及分化充分，溶劑揮發(fā)不完全，因而纖維直徑變大。另一方面，接收距離也是影響纖維形貌和直徑的因素之一。由圖4可知，隨著接收距離的增大，纖維直徑變小且分布變得均勻。這是由于當(dāng)電壓一定時(shí)，接收距離增大，雖然場強(qiáng)強(qiáng)度變小，但噴射流飛行距離增大，纖維拉伸和分化充分，導(dǎo)致纖維直徑變小。

2.4 再生絲素蛋白納米纖維的結(jié)構(gòu)

圖5為乙醇處理前后再生絲素蛋白納米纖維膜FTIR光譜圖。a曲線中，未經(jīng)乙醇處理的再生絲素蛋白纖維膜呈典型的SilkⅠ結(jié)構(gòu)，其3個(gè)主要的特征吸收峰1 643 cm-1，1 531 cm-1和1 239 cm-1分別對應(yīng)絲素分子結(jié)構(gòu)中無規(guī)卷曲構(gòu)象的酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ和酰胺Ⅲ，表明此時(shí)絲素蛋白主要結(jié)構(gòu)為SilkⅠ結(jié)構(gòu)。經(jīng)乙醇處理后，其紅外光譜發(fā)生了明顯的變化，b曲線中3個(gè)主要的特征峰的位置發(fā)生了明顯的偏移，酰胺I、酰胺Ⅱ和酰胺Ⅲ的特征峰分別為1 626 cm-1，1 521 cm-1和1 235 cm-1，這些均為絲素蛋白處于SilkⅡ結(jié)構(gòu)的標(biāo)志，即β-折疊構(gòu)象，當(dāng)絲素蛋白處于silkⅡ結(jié)構(gòu)時(shí)，其表現(xiàn)為水不溶性。

圖4 不同接收距離得到的纖維電鏡照片和直徑分布Fig.4 SEM images of nanof ibers with different collect distance and distribution of diameter

圖5 再生絲素蛋白納米纖維膜FT-IR光譜Fig.5 FTIR spectra of RSF nanof ibers membrane

2.5 再生絲素納米纖維膜的吸水透濕性

乙醇處理前后再生絲素蛋白納米纖維膜的吸水性和透濕性結(jié)果如表1所示。通常情況下，一種理想的組織工程材料，其水溶性要低且具有良好的透濕性。表1中，經(jīng)過乙醇處理的絲素蛋白纖維膜的透濕性為377 g/m2·h。豬皮斷層真皮敷料是臨床上廣泛使用的生物敷料，其透濕性為102.2 g/m2·h[10]。由此可見，本研究制備的納米纖維膜具有良好的透濕性能。另一方面，經(jīng)過乙醇處理后的再生絲素纖維膜，其吸水率從未經(jīng)乙醇處理的267.07 %下降到37.60 %，究其原因，主要由于乙醇處理使絲素蛋白結(jié)構(gòu)由無規(guī)卷曲向規(guī)整的β-折疊轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致外露極性基團(tuán)減少，且分子間間隙減少所致。

表1 再生絲素蛋白纖維膜的透濕性和吸水率Tab.1 Moisture permeability and water absorption rate of RSF fi bers membrane

2.6 再生絲素蛋白納米纖維膜的力學(xué)性能

表2所示為再生絲素蛋白納米纖維膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率及楊氏模量。經(jīng)過乙醇處理后，由于絲素蛋白構(gòu)象向β-折疊轉(zhuǎn)變，納米纖維膜的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量都比未處理的纖維膜有所增大，但斷裂伸長率降低。經(jīng)過乙醇處理后，纖維膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和楊氏模量分別為(12.9±3.1)MPa、(10.5±1.9)%和(309±41)MPa。

表2 再生絲素蛋白納米纖維膜的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of RSF nanof i bers membrane

3 結(jié) 論

利用靜電紡絲法，將再生絲素蛋白溶于無水甲酸中，在不同的工藝條件下制備了纖維直徑為150～580 nm的再生絲素蛋白納米纖維膜，并系統(tǒng)地研究了紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、電壓、紡絲液流速及接收距離對納米纖維形貌和直徑的影響；其中，紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和電壓是影響靜電紡絲的2個(gè)主要因素。經(jīng)過乙醇溶液處理后，再生絲素蛋白納米纖維膜的結(jié)構(gòu)從無規(guī)卷曲向β-折疊構(gòu)象轉(zhuǎn)變，所得纖維膜具有良好的透濕性，到達(dá)377 g/m2·h。此外，該纖維膜具有良好的力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和楊氏模量分別為(12.9±3.1)MPa、(10.5±1.9)%和(309±41)MPa。

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Technology and properties of regenerated bombyx mori silk fi broin nano-f i ber membrane by electrospinning method

HUANG Jian, LIU Lin, YAO Ju-ming
(Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology, Ministry of Education, Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018, China)

In this study, electrospinning method was used to fabricate the regenerated Bombyx mori silk fibroin nano-fiber membrane by using formic acid as the solvent. The effects of silk fibroin concentration, applied voltage, flow rate and tip-to-collection plate distance on the fiber morphology and diameter were systematically evaluated. The results showed that both the silk fibroin concentration and the applied voltage were the most important parameters in producing the uniform and smooth cylindrical fibers less than 250 nm in diameter. The conformation of regenerated silk fibroin nano-fiber was transformed from random coil to β-sheet after the posttreatment with 90 % (v/v) ethanol solution. Under the optimal conditions, the as-spun nano-fiber membrane has low water absorption, excellent moisture permeability to keep a suitable humidity environment. Moreover, its tensile strength, breaking strain and tensile modulus values were (12.9±3.1) MPa, (10.5±1.9) % and (309±41)MPa, respectively.

Electrospinning; Silk fibroin; Nano-fiber membrane; Water absorption; Moisture permeability;Tensile modulus

TB332

A

1001-7003(2011)01-0020-04

2010-07-28；

2010-10-09

教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET070763)

黃建(1985－ )，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾吕w維材料。通訊作者：姚菊明，教授，yaoj@zstu.edu.cn。