絲膠蛋白基水凝膠膜溶脹性能的研究

李慶春 鄒 君 董顯新

(廣西化學纖維研究所，廣西 南寧 530022)

絲膠蛋白基水凝膠膜溶脹性能的研究

李慶春 鄒 君 董顯新

(廣西化學纖維研究所，廣西 南寧 530022)

采用絲膠蛋白為研究主體，與另一成膜組分聚甲基丙烯酸合成絲膠蛋白基水凝膠膜，探討了絲膠蛋白基水凝膠膜溶脹性能。結果表明，絲膠蛋白基水凝膠膜溶脹行為由水分子擴散進入高分子網絡占主導因素，在相同溶脹條件下，溶脹度與膠蛋白基水凝膠膜SS、MAA含量有關；絲膠蛋白基水凝膠膜具有pH敏感性和快速去溶脹速率及可逆溶脹-去溶脹性能。

絲膠蛋白；水凝膠膜；pH敏感性；溶脹；性能

絲膠蛋白是一種相對分子量為1.4～31.4萬，由18種氨基酸組成的球狀蛋白，對繭絲的膠著、離解等性質有重要影響，其二級結構以無規卷曲構象為主，含有少量B構象，幾乎不含a螺旋構象。將一定濃度的絲膠蛋白水溶液在自然條件下放置，能得到熱可逆性的絲膠凝膠膜，絲膠凝膠化過程中由于分子構象變化可引起透光率、強力（膠粘性）、表面張力等物理性質變化。凝膠膜的重要特性是吸水溶脹，隨外界溫度、pH值、電場作用、光、離子和某些化學物質的變化而發生結構和物理性能變化。當凝膠膜受到環境因素刺激時會發生突變，呈現溶脹相與收縮相相互轉變行為，因這種特殊的性能，使凝膠在生物材料領域，例如酶固定化膜材料、細胞生長促進基質、組織修復膜材料、混合相分離膜材料等有著廣闊的應用前景。

絲膠作為一種天然蛋白質，人們已經越來越關注絲膠凝膠化過程中發生的分子構象及結晶度的變化，對其凝膠化過程的研究，將為絲膠的應用打下堅實的理論基礎。由于純絲膠蛋白制備的凝膠膜力學性能存在缺陷，為了充分利用絲膠蛋白的功能特性，根據對水凝膠的性質的要求，有針對性地選擇第二相物質與絲膠共混或聚合，可得到期望的性能，以滿足生物醫藥領域越來越廣泛的需要。本文以絲膠蛋白為研究主體，與另一環境敏感性單體結合起來制備出新的絲膠蛋白基水凝膠膜，從而交織和擴展各組分的功能，在此基礎上對絲膠蛋白基水凝膠膜溶脹性能進行了研究。

（一）材料與方法

1.材料

（1）絲膠蛋白

本試驗所用絲膠蛋白原料由本所根據試驗要求分別制備。

（2）化學試劑

聚乙二醇二縮水甘油醚(PEGO)：一級品，上海如發化工科技有限公司提供；甲基丙烯酸(MAA)：分析純，上海市五聯化工廠生產；過硫酸銨(APS)：分析純，上海市愛建試劑廠生產；N，N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)：分析純，上海市化學試劑公司提供；檸檬酸(C6H807)：分析純，中國醫藥集團上海化學試劑公司；磷酸氫二鈉(Na2HP04)：分析純，成都科龍化工廠；磷酸二氫鈉(NaH2P04)：分析純，成都科龍化工廠；無水碳酸鈉(Na2C03)：分析純，成都科龍化工廠；碳酸氫鈉(NaHC03)：分析純，上海虹光化工廠；等等。

（3）蒸餾水

用HSZ11.20型蒸餾水儀器制備。

2.方法

（1）絲膠蛋白基水凝膠膜的制備

將ss與另一成膜組分的單體按一定質量分數比同時溶于去蒸餾水中，然后加入各自的交聯劑和引發劑等，充分攪拌，于60℃溫度靜置反應24hr，將制得的ss基水凝膠常溫浸泡于蒸餾水中5天，每隔4hr換一次水以去除未反應的單體、交聯劑和引發劑，最后將水凝膠切割成片，烘干，制得ss基水凝膠膜。

在試驗中選取另一成膜組分為聚甲基丙烯酸（PMAA）高分子聚合物，其單體為甲基丙烯酸（MAA）；MAA交聯劑為N，N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)，其加入量為MAA質量的2.7%； SS交聯劑為聚乙二醇二縮水甘油醚(PEGO)，其加入量為SS質量的30-40%；引發劑為過硫酸銨(APS)，其加入量為MAA質量的1.0%，不同SS、MAA含量的絲膠蛋白基水凝膠膜配比見表1。

表1 膠蛋白基水凝膠膜配比

（2）溶脹度的檢測方法

用稱重法測定水凝膠的溶脹率(SR)。將充分干燥的試樣稱重后，放入指定溫度的蒸餾水中，每隔一定時間取出，用濾紙吸干表面的蒸餾水，迅速稱量水凝膠重量。當水凝膠達到溶脹平衡時所對應的溶脹度稱為平衡溶脹度(ESR)。按下列公式計算溶脹度(SR)：

式中：Wt為溶脹t時間的水凝膠重量(g)，Wa為溶脹前干膠重量(g)。

（3）去溶脹度的檢測方法

首先將絲膠蛋白基水凝膠膜在pH7.4的緩沖溶液中充分溶脹達平衡，然后將水凝膠移到pH2.6的緩沖溶液中，每隔一定的時間，取出并用濾紙擦去水凝膠表面帶出的液體，稱重。去溶脹度WR按照下式計算：

其中，Wt為溶脹t時間的水凝膠重量(g)，Wa為溶脹前干膠重量(g)，Ws為在pH7.4緩沖溶液中充分溶脹達平衡時凝膠的重量(g)。

（4）溶脹可逆性的檢測方法

把絲膠蛋白基水凝膠膜首先放入pH7.4的緩沖溶液中，每隔一定時間測定其重量，反復數次至其達到溶脹平衡。然后再將其轉入pH2.6的緩沖溶液中，每隔一定時間測定其重量，反復數次至其達到溶脹平衡。經歷pH7.4溶脹→pH 2.6去溶脹→pH 7.4溶脹→pH 2.6去溶脹的循環刺激，按（1）式計算其溶脹度。

（5）緩沖溶液的配制

根據《GB/T603-2002化學試劑 試驗方法中所用制劑及制品的制備》要求,用檸檬酸、磷酸二氫鈉配制成pH為2.6緩沖溶液，磷酸氫二鈉和磷酸二氫鈉配制成pH為7.4的緩沖溶液。

（二）結果與討論

1.絲膠蛋白基水凝膠膜在蒸餾水中的溶脹性能

水凝膠使用時一般均處于大量水溶脹的環境中，水作為第三組分將對水凝膠的性質產生相當大的影響，所以水凝膠在水中的動態溶脹過程是評價水凝膠性質的重要方面。很多學者研究了凝膠的溶脹動力學發現聚合物網絡溶脹機理的聚集擴散與水分子的簡單擴散略有不同，凝膠由干態開始吸水溶脹時，一般認為經過水分子擴散進入高分子網絡、高分子鏈發生水合而松馳、高分子網絡在水溶液中進行擴展3個連續的過程。根據Fickian第二擴散定律，如果第一個過程占主導地位，凝膠的吸水量Mt／M∞（溶脹t時刻與溶脹平衡時刻所吸水量之比）與吸水時間的平方根t?成正比關系。如果第二、第三過程占主導地位，其吸水量正比于吸水時間，吸水量與吸水時間平方根之間的關系曲線呈s型形狀。

本試驗模擬人體正常體溫，把試驗樣品放入37℃的蒸餾水中浸泡，每隔一定的時間取出，用濾紙吸干表面的蒸餾水，迅速稱量水凝膠質量，以探討絲膠蛋白基水凝膠膜在蒸餾水中的溶脹性能。結果見圖1、圖2。

圖1 在去離子水中的動態溶脹曲線

從圖1中可以看到凝膠的吸水量和t?基本上成直線關系。這說明本試驗制備的絲膠蛋白基水凝膠膜在37℃的蒸餾水中的溶脹行為由水分子擴散進入高分子網絡過程所控制。

圖2 在去離子水中溶脹度隨時間的變化曲線

從圖2可以看到本試驗研制的絲膠蛋白基水凝膠膜樣品在前30min溶脹速率變化非常快，30min后基本上達到溶脹平衡。在相同溶脹時間下，MS6溶脹度最大，MS2溶脹度最小。

2.絲膠蛋白基水凝膠膜的pH去溶脹性能

本項目研制的絲膠蛋白基水凝膠膜對pH具有顯著的敏感性，這類水凝膠的溶脹或去溶脹是隨pH值的變化而發生變化的。試驗中，首先我們將試樣放在pH7.4的緩沖溶液中充分溶脹達平衡，然后將水凝膠移到pH2.6的緩沖溶液中，每隔一定的時間，取出并用濾紙擦去水凝膠表面帶出的液體，稱重，計算去溶脹度WR（%），考察試樣去溶脹性能，結果見圖3。

圖3 去溶脹曲線圖

從圖3可看出，MS2、MS3、MS4、MS5、 MS6的去溶脹率都大于MS1、 MS7，試樣溶脹前30min，去溶脹率變化很快，并且隨著絲膠蛋白含量的減少，其去溶脹率越大，失水率越高，溶脹至50min以后，去溶脹率變化趨于平穩。

3.絲膠蛋白基水凝膠膜的pH可逆溶脹性能

從上面的試驗可以知道試樣由pH7.4轉移至pH2.6時會收縮失水，失水后的試樣再次放入pH7.4的環境會產生什么樣的行為？試驗中，我們把絲膠蛋白基水凝膠膜首先放入pH7.4的緩沖溶液中，每隔一定時間測定其重量，反復數次至其達到溶脹平衡。然后再將其轉入pH2.6的緩沖溶液中，每隔一定時間測定其重量，反復數次至其達到溶脹平衡。經歷pH7.4溶脹→pH 2.6去溶脹→pH 7.4溶脹→pH 2.6去溶脹的循環刺激，按（1）式計算其溶脹度，以考察試樣對pH響應的可逆行為，由于MS1、MS7去溶脹率變化沒有MS2-MS7明顯，本試驗僅對MS2-MS7進行，結果如圖4。

圖4 溶脹-去溶脹曲線圖

圖4中峰的上升期為試樣于pH7.4緩沖溶液的溶脹-去溶脹曲線，峰的下降期為試樣于pH2.6緩沖溶液的溶脹-去溶脹曲線。從圖中可以看出，試樣由pH7.4轉移至pH2.6時會收縮失水，收縮失水后的試樣再次放入pH7.4緩沖溶液后，試樣從新開始溶脹，試樣經三次循環試驗后，平衡溶脹度僅有微小的下降，MS3、MS4、MS5溶脹-收縮行為隨pH變化最為明顯，具有良好的pH溶脹-收縮可逆性。

（三）結論

1.絲膠蛋白基水凝膠膜溶脹行為由水分子擴散進入高分子網絡占主導因素，在相同溶脹條件下，溶脹度與膠蛋白基水凝膠膜SS、MAA含量有關。

2.絲膠蛋白基水凝膠膜具有pH敏感性和快速去溶脹速率及可逆溶脹-去溶脹性能。

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TS149

A

1008-1151(2011)05-0116-02

2011-02-28

廣西科學基金項目（桂科0832072）

李慶春（1964-），廣西化學纖維研究所高級工程師，研究方向為紡織用化學品技術。