朱彩紅 石培峰 呂張飛 胡迎春

摘? ?要：靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維具有極高的比表面積和孔隙率等獨(dú)特性質(zhì)，使其在生物醫(yī)學(xué)、電子、能源等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。絲素蛋白由于其獨(dú)特的機(jī)械性能、生物相容性和緩慢的降解性，成為組織工程的基質(zhì)材料。利用靜電紡絲技術(shù)進(jìn)行了再生絲素蛋白的可紡性研究，獲得了相應(yīng)的靜電紡絲工藝參數(shù)，取得了預(yù)期的效果。

關(guān)鍵詞：靜電紡絲;絲素蛋白;納米纖維;組織工程;掃描電鏡

1? ? 絲素蛋白概述

近年來，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米纖維已被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，但由于納米纖維的生產(chǎn)成本較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)的需要，人們正在尋找成本更低、產(chǎn)量更大的納米纖維制造方法。靜電紡絲技術(shù)相對于其他生產(chǎn)技術(shù)在制備納米纖維上具有無可比擬的優(yōu)勢，如設(shè)備簡單、操作方便、適用于大部分聚合物。利用靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維具有極高的比表面積和孔隙率等獨(dú)特性質(zhì)，使其在生物醫(yī)學(xué)、電子、能源等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

絲素蛋白是一種從蠶絲中提取的蛋白質(zhì)，由乙氨酸、丙氨酸、絲氨酸等20余種氨基酸組成，是一種有價(jià)值的生物醫(yī)學(xué)候選材料。它具有良好的生物相容性、血液相容性、良好的氧氣和水滲透性、可生物降解性、非細(xì)胞毒性和最小限度炎癥反應(yīng)。它可作為生物識別信號，促進(jìn)細(xì)胞黏附，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。

本研究的目的是制備再生絲素蛋白，利用甲酸進(jìn)行溶解，對其溶液進(jìn)行靜電紡絲，以表征微觀結(jié)構(gòu)，探尋絲素蛋白的最佳靜電紡絲工藝參數(shù)，為其應(yīng)用到生物領(lǐng)域做進(jìn)一步的探索。

1? ? 試驗(yàn)材料與方法

1.1? 主要材料與試驗(yàn)儀器

家蠶生絲，碳酸鈉（Na2CO3），氯化鈉（NaCl），磷酸二氫鉀（KH2PO4），磷酸氫二鈉（Na2HPO4），氯化鉀（KCl），溴化鋰（LiBr），甲酸（98%）。

靜電紡絲裝置高速離心機(jī)、恒溫干燥箱、真空冷凍干燥機(jī)、電子天平、磁力攪拌器、掃描電子顯微鏡、燒杯、量筒、玻璃棒、透析袋等。

1.2? 再生絲素蛋白的制備

將1 L去離子水加熱至沸騰，加入2.12 g Na2CO3，完全溶解后，將2.5 g桑蠶絲浸在溶液中，在100 ℃水溫下邊加熱邊用玻璃棒攪拌，約煮0.5 h。將煮熟的絲用溫去離子水徹底洗凈，然后放在錫紙上，在60 ℃烤箱中烘干一夜。取出干絲稱重（m），每1.35 g絲加5 mL 9.3 mol/L溴化鋰溶液溶解。待蠶絲溶解后，將蠶絲溶液從烘箱中取出，使其溫度降至室溫，并將其裝入透析袋中，再將透析袋放入去離子水桶中透析3天。取出透析袋，將溶液倒入用紗布密封的干燥燒杯中，移入離心管，4 ℃ 9 000 r/min，離心20 min，即獲得清澈的再生SF新鮮水溶液，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)約6%。

將一定量（50 mL）6%再生絲蛋白溶液（SF）放置在一個燒杯，迅速移至60 ℃烤箱。當(dāng)體積降至原溶液體積的1/2時，絲素溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為12%。將濃縮蠶絲蛋白溶液轉(zhuǎn)移到覆蓋有微孔的塑料皿中，繼續(xù)緩慢濃縮。當(dāng)體積約為原來的1/2時，對溶液進(jìn)行質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定，測得溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～25%。將溶液放至4 ℃冰箱，2～3天后用玻璃棒緩慢攪拌，用超純水稀釋到0.5%并轉(zhuǎn)移到一個密封的溶劑瓶，然后放至60 ℃烤箱中轉(zhuǎn)化為凝膠狀態(tài)，再將凝膠放至4 ℃冰箱里。

將絲素蛋白凝膠放入耐低溫塑料燒杯中，并放置在一個﹣81 ℃超低溫冰箱中一夜，然后放于真空冷凍干燥機(jī)中，完全凍干3天后，得到固體再生絲素纖維。

1.3? 納米纖維膜的制備

將固體再生絲素纖維溶解在98%甲酸中，制備2%、4%、5%、6%、8%、10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的紡絲溶液，室溫下用磁力攪拌器攪拌8 h，充分溶解后備用。

靜電紡絲裝置包含供液系統(tǒng)、高壓供電系統(tǒng)和接收系統(tǒng)3個部分。將溶液放入5 mL的注射器中，針頭內(nèi)徑5 mm，針尖接電源的高壓輸出端。接收平板接電源的低壓輸出端，與針尖之間的接收距離是15 cm，接收平板上平鋪上錫箔紙。電紡電壓為20 kV，注射泵控制液體流量為0.3 mL/h。當(dāng)電壓從0 kV增加到20 kV時，針尖處形成一滴溶液，然后噴射出去，在錫箔上收集納米纖維。

1.4? 測試與表征

掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）是介于透射電鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種微觀形貌觀察手段，可直接利用樣品表面材料的物質(zhì)性能進(jìn)行微觀成像。因此，為了直觀地觀察靜電紡絲納米纖維的纖維形態(tài)，同時觀察新制備的絲素蛋白的可紡性，對各種質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的靜電紡絲納米纖維材料樣品表面噴金，以增加其導(dǎo)電性，然后放置在電鏡臺上，采用掃描電子顯微鏡觀察其表面形態(tài)，并得到樣品的電鏡圖，測試條件：恒溫20 ℃，濕度65%。

2? ? 結(jié)果與討論

紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對紡絲過程和納米纖維形態(tài)有重要影響。為了研究探索本課題中再生絲素的制備，以便于對絲素的電紡工藝參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。選擇較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液進(jìn)行靜電紡絲。電紡SF的形態(tài)如圖1所示。電紡2%溶液時，珠絲共混。隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，珠粒數(shù)減少，絲數(shù)增加。當(dāng)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到8%時，紡絲產(chǎn)品全部為絲。質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%得到的納米纖維支架的直徑主要分布在100～300 nm，直徑200～250 nm的纖維接近40%。其平均孔徑達(dá)到5～6 μm和孔隙度為76%（支架孔隙度適合細(xì)胞滲透通常在60%～90%）。這種支架結(jié)構(gòu)有利于纖維細(xì)胞的生長。因此，后期的納米纖維在組織工程中的應(yīng)用可以選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的支架進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)。當(dāng)然，孔徑的優(yōu)化選擇還需要進(jìn)一步研究。

3? ? 結(jié)語

利用靜電紡絲技術(shù)電紡絲素蛋白，獲得了靜電紡絲工藝參數(shù)，為絲素蛋白的納米纖維支架在組織工程上的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。靜電紡絲技術(shù)是目前最有效的制備納米纖維的方法之一，具有設(shè)備簡單、操作性強(qiáng)、高效等優(yōu)點(diǎn)，但是當(dāng)前的靜電紡絲技術(shù)還不成熟，諸如批量生產(chǎn)、纖維強(qiáng)力、高電壓生產(chǎn)等問題有待研究和解決。隨著生物技術(shù)的日新月異，靜電紡絲技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，絲素蛋白納米纖維在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)宫F(xiàn)出更廣闊的應(yīng)用前景。

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