碳酸鈣-絲素粉體材料結構性能的探究

劉玉強，劉鵬翔，田保中,2

(1. 蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215021；2. 現代絲綢國家工程實驗室，江蘇 蘇州 215123)

碳酸鈣-絲素粉體材料結構性能的探究

劉玉強1，劉鵬翔1，田保中1,2

(1. 蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215021；2. 現代絲綢國家工程實驗室，江蘇 蘇州 215123)

制備了不同質量分數的碳酸鈣-絲素粉體材料，利用差熱分析(DTA)、傅里葉紅外光譜(FTIR)、X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)測試技術，探究了不同質量分數對粉體中絲素蛋白凝聚態結構和碳酸鈣晶型的影響。結果表明：碳酸鈣對絲素蛋白凝聚態結構的影響顯著，當碳酸鈣質量分數過大時，絲素蛋白的β-折疊成分會減少；同時研究發現，控制絲素蛋白的質量分數可以獲得粒徑較小、分散性能良好的立方形或球形碳酸鈣。

絲素蛋白；碳酸鈣；粉體材料；聚集態結構；晶型；改性

絲素蛋白是一種天然蛋白質，具有生物安全性和健康等優點，在生物醫藥材料、化妝品、食品等領域應用廣泛[1-3]。CaCO3作為人體骨骼的重要組成成分之一，可以與蛋白質等有機基質在生物體中共同發揮作用[4-5]，在生物醫藥、日化等領域使用非常廣泛，美國食品藥物管理局(FDA)認為其為“安全性物質”[6]，因此將絲素蛋白和CaCO3制備成一種安全的、可以應用于日化領域的粉體材料是可行的。已經有研究發現，CaCO3的存在對絲素蛋白的結構性能存在顯著影響[7-8]。此外，也有研究發現，蛋白質可以對CaCO3的結晶產生重要影響[9-10]。

本文研究了一種制取CaCO3-絲素粉體材料的新方法，并通過差熱分析(DTA)、傅里葉紅外光譜(FTIR)、X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)，探究CaCO3對絲素蛋白聚集態結構的影響、絲素蛋白對CaCO3的晶型的影響。

1 試 驗

1.1 化學試劑和材料

無水氯化鈣(上海美興化工股份有限公司)、無水乙醇(上海聯試化工試劑有限公司)、碳酸鈉(上海試劑總廠)、碳酸氫鈉(無錫市展望化工試劑有限公司)、硝酸銀(譽川化工有限公司)，以上均為分析純；生絲(江蘇華佳集團有限公司)。

1.2 制備方法

1.2.1 絲素蛋白溶液的制備

將生絲用質量分數為0.05 %的Na2CO3溶液脫膠3次、干燥后制得絲素纖維。稱取不同質量的絲素纖維，放入盛有100 mL摩爾比為1∶8∶2的CaCl2-H2O-乙醇溶液的錐形瓶中，在溫度為(80±2)℃的條件下磁力攪拌溶解，制得不同質量濃度的絲素溶液。

1.2.2 CaCO3-絲素粉體材料的制備

將碳酸氫鈉按照與氯化鈣完全反應的量加入到絲素溶液中，使其充分反應。反應產物于60℃烘干，用去離子水多次洗滌。用硝酸銀標準溶液滴定測試洗滌液中氯離子的濃度，直至測試結果表明洗滌液中無氯離子為止。再次烘干，研磨相同時間，制得不同質量分數的CaCO3-絲素粉體材料。

1.3 測 試

用Diamond TG-DTA熱分析儀(美國PerkinElmer公司)測試粉體材料的熱性能，溫度范圍30.00～350.00 ℃，升溫速率10 ℃/min；用Nicolet5700型紅外光譜儀(美國熱電公司)測試粉體材料中蛋白質結構和CaCO3晶型，KBr壓片法，掃描32次，波數范圍4 000 cm-1～400 cm-1，分辨率為4 cm-1；用X' Pert PRO MPD型X射線多晶衍射儀(荷蘭帕納科公司)測試粉體材料中絲素蛋白的凝聚態結構和CaCO3晶型，Cu靶，電壓40 kV，電流30 mA，2θ掃描范圍5°～55°；用S-4700型冷場發射掃描電鏡(日本日立公司)觀察材料的微觀形狀。

2 結果與討論

2.1 差熱分析

CaCO3的熱分解溫度遠高于350 ℃，因此，圖1曲線上的吸熱峰對應為絲素蛋白分解溫度(Td)。絲素蛋白的結晶度越高，分解溫度越高；結晶度越低，分解溫度越低。從圖1可知，按照3#到6#方向，粉體材料中CaCO3質量分數越低，絲素蛋白的分解溫度越高，應歸因于絲素蛋白的結晶度提高。2#樣品沒有出現明顯的吸熱峰，應歸因于樣品中絲素蛋白質量分數太低。

2.2 紅外光譜

圖2中，6#曲線上1 639 cm-1和1 531 cm-1為絲素蛋白β-折疊結構的特征吸收峰。按照6#到2#順序可知，隨著粉體材料中CaCO3質量分數的增多，1 639 cm-1處的絲素蛋白β-折疊結構的特征峰逐漸減弱，直到消失。這可能是因為絲素蛋白中加入的CaCO3分散在絲素蛋白分子之間，影響了絲素蛋白分子間氫鍵的形成，破壞了絲素蛋白的β-折疊結構。同時1 531 cm-1處的峰值向低波數偏移，且偏移程度較大，可能是絲素蛋白與CaCO3分子之間形成了氫鍵的原因[11]。但此時，2#到5#曲線絲素蛋白無規卷曲的特征峰也不明顯，說明CaCO3質量分數過大時，絲素蛋白的分子構象也并不是無規卷曲結構，可能是一種介于無規卷曲和β-折疊結構之間的分子構象。

此外，713 cm-1處為CaCO3方解石型的特征峰，872 cm-1處為方解石型和球霰石型的特征峰[12-13]。而且隨著絲素的增多，CaCO3的特征峰明顯加強，這說明絲素蛋白有利于CaCO3晶型的形成。

2.3 X射線衍射

圖3中，6#曲線為純絲素蛋白的衍射曲線，可以明顯看出絲素蛋白在2θ＝24°左右的β-折疊結構的衍射峰。按照從5#到2#順序可見，隨CaCO3質量分數的增大，β-折疊結構的衍射峰減弱直至消失。這可能是當CaCO3含量較多時，CaCO3使絲素分子之間無法形成規整的排列，降低了絲素蛋白分子的結晶度。絲素蛋白對CaCO3晶型的也有顯著影響。由1#、2#曲線上的衍射峰值可見，此時CaCO3微粒的幾何形狀為立方形，屬于六方晶系,方解石型；3#、4#、5#曲線上新出現的衍射峰(2θ為32.76°、43.89°、50.14°)則為球形，屬于斜方晶系，球霰石型[14-15]，這在一定程度上與紅外光譜中的結果相一致。這可能是絲素蛋白分子影響了CaCO3的結晶過程，進而影響到了CaCO3的晶型和幾何形狀。

2.4 掃描電鏡

圖4a為純CaCO3的SEM照片，此時形成的CaCO3為立方形，粒徑大約1 μm，存在明顯的團聚現象。圖4b是絲素質量分數為10.0 %時的照片，此時CaCO3的分散性得到改善，棱角變得圓滑。圖4c是絲素質量分數為20.0 %時的照片，可以明顯看出CaCO3存在立方形和球形2種幾何形狀，粒徑大小在0.2～0.5 μm，且球形CaCO3的粒徑小于立方形。因此，當粉體材料中CaCO3與絲素的質量分數不同時，CaCO3的分散性有較大差別，粒徑大小與晶型也存在不同。

3 結 論

1)研究了一種制取CaCO3-絲素粉體材料的新方法，并采用此方法制取了不同質量分數的CaCO3-絲素粉體材料。差熱分析、紅外光譜、X射線衍射和SEM表明，絲素蛋白分子與CaCO3之間存在明顯的相互影響。

2)CaCO3可以破壞絲素蛋白分子的β-折疊結構，使結晶度降低，更有利于研磨制備粉體材料。

3)絲素蛋白分子可以影響CaCO3的晶型、分散性、幾何形狀，可以用來制取粒徑較小、分散性能良好的立方形或球形CaCO3。

[1] LI C M, VEPARI C, JIN H J, et al. Electrospun silk-BMP-2 scaffolds for bone tissue engineering[J]. Biomaterials, 2006,27(16): 3115-3124.

[2] CHANG G, KIM H J, KAPLAN D, et al. Porous silk scaffolds can be used for tissue engineering annulus fi brosus[J]. Eur Spine J, 2007, 16: 1848-1857.

[3] LIU T L, MIAO J C, SHENG W H, et al. Cytocompatibility of regenerated silk fibroin film: a medical biomaterial applicable to wound healing[J]. Journal of Zhejiang University-SCIENCE B (Biomedicine & Biotechnology),2010, 11(1): 10-16.

[4] SCHNEIDERS W, REINSTORF A, POMPE W, et al.Effect of modification of hydroxyapatite/collagen composites with sodium citrate, phosphoserine,phosphoserine/RGD-peptide and Effect of calcium carbonate on bone remodeling[J]. Bone, 2007, 40(4):1048-1059.

[5] KHAIROUN I, BOLTONG M G, DRIESSENE F C M, et al.Effect of calcium carbonate on the compliance of an apatitic calcium phosphate bone cement[J]. Biomaterials, 1997,18(23): 1535-1539.

[6] 張亨.碳酸鈣的生產及其在塑料中的應用研究[J].橡膠資源利用，2010(3)：16-20.ZHANG Heng. Calcium carbonate production and its application in plastic[J]. Rubber & Plastics Resources Utilization, 2010(3): 16-20.

[7] 田保中. CaCO3對絲素蛋白膜熱性能影響的研究[J].蘇州大學學報：工科版，2003，23(6)：1-5.TIAN Baozhong. Study on CaCO3's influence on silk fi broin membrane's thermal property[J]. Journal of Soochow University (Engineering Science Edition), 2003, 23(6): 1-5.

[8] 田保中. CaCO3-絲素蛋白膜的動態粘彈譜[J].高分子材料科學與工程，2005，21(1)：244-246.TIAN Baozhong. Dynamic viscoelasticity spectrum of CaCO3-silk fibroin membranes[J]. Polymer Materials Science and Engineering, 2005, 21(1): 244-246.

[9] FENG Q L, PU G, PEI Y, et al. Polymorph and morphology of effect of calcium carbonate crystals induced by proteins extracted from mollusk shell[J]. Journal of Crystal Growth,2000, 216: 459-465.

[10] XUE Z H, DAI S X, HU B B, et al. Effect of Langmuir monolayer of bovine serum albumin protein on the morphology of calcium carbonate[J]. Materials Science and Engineering, 2009, 29 (6): 1998-2002.

[11] 陶詠真，鄢蕓，徐衛林，等. 絲素蛋白與聚氨酯共混膜的制備及結構和性能[J].高分子學報，2010(1):27-32.TAO Yongzhen,YAN Yun, XU Weilin, et al. Preparation,structure and propreties of blended films of polyurethane and silk fi broin[J]. Acta Polymerica Sinica, 2010(1): 27-32.

[12] 吳剛，王小峰，郎雷鳴，等. 咪唑對碳酸鈣晶型和形貌的調控研究[J].人工晶體學報，2010，39(5)：1342-1347.WU Gang, WANG Xiaofeng, LANG Leiming, et al. Study on crystal form and morphology of CaCO3adjusted by imidazole[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2010, 39(5):1342-1347.

[13] YANG X D, XU G Y, CHEN Y J, et al.The influence of O-carboxymethylchitosan on the crystallization of calcium carbonate[J]. Powder Technology, 2010, 204: 228-235.

[14] 楊樺，崔愛莉，李悅，等. 不同幾何形狀CaCO3超微粒子的合成[J].吉林大學自然科學學報，1997(2)：83-85.YANG Hua, CUI Aili, LI Yue, et al. Synthesis of ultrafine calcium carbonate with various shapes[J]. ACTA Scientiarium Naturalium Universitatis Jilinensis, 1997(2):83-85.

[15] 金日光，張毅，馬秀清，等.渦流微反應場制備不同幾何形狀CaCO3超微粒子[J].非金屬礦，2004，27(1)：8-10.JIN Riguang, ZHANG Yi, MA Xiuqing, et al. Preparation of ultrafine CaCO3particles with different crystal shapes by turbo- fl ow micro-re-action fi eld[J]. Non-Metallic Mines,2004, 27(1): 8-10.

Exploration on the structure and properties of Calcium Carbonate-Silk Fibroin powder material

LIU Yu-qiang1, LIU Peng-xiang1, TIAN Bao-zhong1,2
(1.College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China; 2. National Engineering Laboratory for Modern Silk,Suzhou 215123, China)

Several kinds of Calcium Carbonate-Silk Fibroin (SF) powder materials with different mass fractions were prepared. Besides, this thesis explores the effects of Calcium Carbonate/Silk Fibroin mass ratio on the aggregation structure of Silk Fibroin and the crystal type of Calcium Carbonate by differential thermal analysis(DTA), Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, powder X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) testing techniques. The result shows that Calcium Carbonate has a significant effect on the aggregation structure of Silk Fibroin, and β-sheet component will reduce when Calcium Carbonate content is over a certain value. At the same time, the experiment also shows cubic or spherical Calcium Carbonate with smaller particle size, better dispersion can be obtained by controlling the mass ration of the Silk Fibroin content.

Silk Fibroin; Calcium Carbonate; Powder material; Aggregation structure; Crystal type;Modification

TB383

A

1001-7003(2012)06-0001-04

2011-12-28；

2012-02-23

江蘇省自然科學基金資助項目(BK2009149)；江蘇省高校自然科學基金資助項目(05KJB540122)

劉玉強(1990－ )，男，2009級紡織工程專業本科生。通訊作者：田保中，副教授，博士，tianbaozhong@suda.edu.cn。