再生絲素纖維的濕法紡絲及其交聯改性研究

高艷菲，明津法，鄧春閩，陳 梅，左保齊

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

再生絲素纖維的濕法紡絲及其交聯改性研究

高艷菲，明津法，鄧春閩，陳 梅，左保齊

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

以六氟異丙醇(HFIP)溶解再生絲素膜，通過濕法紡絲獲得再生絲素纖維。再生絲素纖維經1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳化二亞胺(EDC)和N-羥基丁二酰亞胺(NHS)作為交聯劑進行后處理，利用掃描電鏡(SEM)、紅外光譜(FTIR)、X-射線衍射(XRD)、DSC熱分析法、力學性能等表征方法研究和分析了牽伸和交聯前后纖維聚集態結構和力學性能的變化。研究結果表明：再生絲素纖維經牽伸和EDC/NHS交聯改性后，纖維直徑變細為87 μm，纖維內部結構以silk II結構為主；纖維的熱穩定性提高，熱分解峰峰值由281 ℃提高至288 ℃；纖維的斷裂強度和斷裂伸長率明顯增大，分別達到1.41 cN/dtex和11.38%，表現出良好的柔韌性。

再生絲素纖維；濕法紡絲；交聯改性

蠶絲纖維是一種天然蛋白纖維，由絲素蛋白和絲膠蛋白兩部分組成，絲素蛋白有良好的生物相容性、生物可降解性、易加工性等，近年來桑蠶絲用于生物醫學領域的研究非常活躍[1]，通過人工紡絲的方法制備具有優異性能的再生絲素蛋白纖維是研究熱點之一。

再生絲素蛋白纖維力學性能較差，易脆斷，改善的方法之一是采用化學交聯處理。在當前的實際應用中，較為常用的交聯劑有甲醛、戊二醛、二醛基淀粉和環氧化合物等。這些化學合成的交聯劑在處理生物組織方面各有所長，但它們的一些缺點也是有目共睹的：由于這些交聯劑都是化學合成，具有很高或相對較高的細胞毒性，導致使用它們進行交聯處理的生物組織植入人體以后，在一定程度上影響了受體正常組織的生長，進而影響了創口的愈合和功能的恢復[2-3]。

與一些傳統的化學交聯劑如戊二醛或環氧化合物不同，碳化二亞胺(EDC)不作為聯結的一部分滯留在交聯物分子中，而是轉變為具有極低細胞毒性的水溶性脲衍生物，所以這種方法可以避免解聚作用和殘留有毒物質的釋放[4]。因此人們開始使用EDC和羥基琥珀酰亞胺(NHS)作為交聯劑。Wissink等[5]先將I型膠原制成厚為50 μm的膠原膜，然后用嗎啉-乙磺酸(MES)進行處理，再與EDC/NHS進行交聯。體內試驗表明，交聯后的膠原膜對血液有良好的生物相容性。Damink等[6]把羊皮膠原浸入EDC/NHS的混合液后，交聯率增大，收縮溫度大幅度提高，膠原斷裂強度降低，斷裂伸長大幅增加。

本研究采用濕法紡絲法獲得再生絲素纖維，通過EDC/NHS交聯劑的交聯改性制備出具有一定力學性能的再生絲素纖維；并以掃描電子顯微鏡(SEM)研究纖維的形貌特征、紅外光譜(FTIR)和X-射線衍射(XRD)等表征纖維聚集態結構和力學性能的變化，為再生絲素纖維用于生物醫用材料提供實驗依據。

1 試 驗

1.1 材 料

桑蠶絲(浙江湖州浙絲二廠)，碳酸鈉(AR，上海試劑總廠)，溴化鋰(AR，Sigma公司)，無水乙醇(AR，上海化學試劑二廠)，六氟異丙醇(HFIP)(Technical grade，美國杜邦公司)，1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳化二亞胺(EDC)(BR，Sigma公司)，N-羥基丁二酰亞胺(NHS)(BR，Sigma公司)。

1.2 方 法

1.2.1 再生桑蠶絲素膜的制備

稱取一定量桑蠶絲，用0.05 %的Na2CO3溶液煮沸脫膠，浴比1︰20，煮3次，每次30 min煮沸后獲得純桑蠶絲素，在60 ℃下烘干，備用。

配置LiBr/C2H5OH/H2O(質量比44︰45︰11)混合溶液，將純桑蠶絲素溶于混合溶液中，在75～80 ℃的恒溫水浴條件下攪拌5 h左右，獲得再生桑蠶絲素溶液，經去離子水透析后，在室溫條件下成膜。

1.2.2 紡絲液的配置及紡絲

將絲素膜與HFIP按一定比例混合，得到質量分數為15 %和18 %的混合液，在通風櫥中將混合液用密封袋密封，置于震蕩水浴槽中于25 ℃條件下震蕩7 d左右，得到紡絲液。

將紡絲液倒入擠出頭進行擠出，在乙醇凝固浴中凝固，牽引、卷曲，得到初生纖維。將初生絲素纖維浸泡在無水乙醇中，密封，置于室溫下24 h，將初生纖維牽伸一倍，接著在120 ℃下熱定形30 min。

1.2.3 交聯再生絲素纖維

室溫下，將EDC/NHS(質量比為2︰1)按一定比例加入到乙醇/水(VC2H5OH/VH2O＝90︰10)中，配制成質量分數為4.5 %的交聯液。將牽伸后的絲素纖維浸泡于交聯液中，室溫下放置24 h，得到交聯后的纖維，然后置于120 ℃下熱定形30 min，得到EDC/NHS交聯后的再生絲素纖維。

1.3 主要測試方法

1.3.1 掃描電鏡

將初生絲素纖維、牽伸后絲素纖維及交聯改性絲素纖維經噴金處理，用S4800掃描電鏡(日本日立公司)觀察纖維的橫縱截面形態。此外，采用Image J軟件測量纖維直徑，每個樣品測量100次，求其平均值。

1.3.2 紅外光譜測試

將初生絲素纖維、牽伸后絲素纖維及交聯改性絲素纖維剪碎制成粉末，KBr壓片制樣，用美國Nicolet 5700型紅外光譜儀進行測試，得到纖維的紅外吸收光譜，分析絲素二級結構的變化。

1.3.3 X衍射分析

利用全自動X射線衍射儀分析初生絲素纖維、牽伸后絲素纖維及交聯改性絲素纖維中絲素結晶結構的變化。測試參數：CuK α射線，管電壓40 kV，管電流40 mA，掃描速度2(°)/min，衍射角度2θ為5°～45°。

1.3.4 DSC測試

將初生絲素纖維、牽伸后絲素纖維及交聯改性絲素纖維剪碎制成粉末，用SDT Q600熱分析儀測定樣品的熱性能變化。測試時，氮氣氛，氮氣流量100.0 mL/min，溫度范圍50～600 ℃，升溫速率10 ℃/min。1.3.5 力學性能測試

將再生絲素纖維樣品在標準大氣條件(溫度20 ℃，相對濕度65 %)下平衡24 h，然后利用Instron 3365型萬能材料試驗儀測試交聯前后絲素纖維的斷裂強力等力學性能指標。測試時，試樣夾持長度100 mm，拉伸速度10 mm/min，預張力(0.1±0.01) cN/dtex，每個樣品測試10次，取其平均值，計算樣品的斷裂強度、斷裂伸長率：

2 結果與討論

2.1 再生絲素纖維的SEM分析

圖1為絲素溶液質量分數為15 %和18 %條件下濕法紡絲獲得的再生絲素纖維的外觀形貌圖。從圖1可知，在質量分數為15 %和18 %的條件下獲得的初生纖維表面光滑，纖維直徑分別為(192±15)μm、(192±25)μm(圖1a，d)，可見在本試驗條件下紡絲液濃度不會對再生絲素纖維的外觀結構產生明顯影響。當初生纖維經1倍牽伸，未經EDC/NHS交聯劑交聯改性時，纖維直徑明顯變細，分別從(192±15)μm、(192±25)μm下降到(81±15)μm、(81±9)μm(圖1b，e)。而牽伸纖維經EDC/NHS交聯改性后，可能由于交聯過程中纖維發生溶脹，纖維直徑則分別從(81±15)μm、(81±9)μm增加到87±5 μm、(87±12)μm(圖1c，f )。

圖1 再生絲素纖維的外觀形貌Fig.1 The morphology structure of regenerated silk fi broin fi bers

2.2 再生絲素纖維的FTIR分析

圖2 絲素蛋白纖維的FTIR圖Fig.2 FTIR spectra of silk fi broin fi bers

圖2為不同質量分數條件下濕法紡絲制得的再生絲素纖維的FTIR圖。從圖2可以看出，天然絲素蛋白的酰胺I、酰胺II和酰胺III在1 638 cm-1、1515 cm-1、1 229 cm-1，分別屬于silk II構象、silk II 構象和無規線團/silk I，可見天然絲素蛋白主要以silk II 為主，并含有部分無規線團或silk I 構象。從圖2A可知，由質量分數為15 %的紡絲液濕法紡絲獲得的初生絲素纖維的酰胺I位于1 638 cm-1，屬silk II 構象。初生絲素纖維經1倍牽伸，EDC/NHS交聯改性后，酰胺I紅外光譜特征峰從1 638 cm-1偏移至1 620 cm-1，其他紅外特征峰未發生變化，但初生纖維經牽伸和交聯改性后，纖維內部構象未發生變化，為silk II 構象。而由質量分數為18 %的紡絲液濕法紡絲獲得的初生纖維的酰胺I位于1 638 cm-1，屬silk II 構象(圖2B)。初生纖維經牽伸和EDC/NHS交聯改性后，絲素蛋白特定構象的酰胺I、酰胺II等紅外光譜特征峰未發生明顯變化，表明纖維內部構象未受到牽伸和交聯劑交聯改性的影響。此外，由圖2A和B對比可知，不同質量分數的紡絲液濕法紡絲獲得的初生纖維內部構象受絲素蛋白紡絲液質量分數的影響較小。

2.3 再生絲素纖維的XRD表征

圖3為絲素紡絲液質量分數分別為15 %和18 %條件下，濕法紡絲制得的再生絲素纖維的XRD圖。一般認為絲素的二級結構分為：無規線團、silk I 和silk II結構。其中silk I的主要衍射峰為12.2°、19.7°、24.7°和28.2°，而silk II的主要衍射峰為9.1°、18.9°、20.7°和24.0°。

圖3 絲素蛋白纖維的XRD圖Fig.3 XRD spectra of silk fi broin fi bers

由圖3中曲線d可知，天然絲素20.7°和24.0°處有明顯的X衍射峰，且均屬于silk II結構。由圖3A中曲線a可知，絲素紡絲液質量分數為15 %條件下濕法紡絲獲得的初生纖維的主要衍射峰位于20.3°，屬silk II結構[7]。初生纖維經1倍牽伸和EDC/NHS交聯劑交聯改性后，20.3°處的衍射峰強度增強，且在23.2°處出現一小肩峰。由此可見，經牽伸和交聯改性后，絲素的二級結構以silk II為主，含部分無規結構。而在紡絲液質量分數為18 %的條件下濕法紡絲獲得的初生纖維的XRD圖(圖3B-a)與質量分數為15 %紡絲液條件下獲得的初生纖維的結構相同。可見，紡絲液質量分數對濕法紡絲獲得的再生絲素纖維內部結構影響較小。

2.4 再生絲素纖維的DSC分析

圖4為絲素紡絲液質量分數分別為15 %和18 %條件下，濕法紡絲制得的再生絲素纖維的DSC曲線。由圖4中曲線d可知，天然絲素在90 ℃左右有一微小的吸熱峰，這主要歸因于絲素內部結構吸附水的釋放。同時，天然絲素的熱分解峰在315 ℃，這是由絲素內部silk II結構含量決定的。

從圖4A中曲線a可知，初生纖維在87 ℃附近有一明顯的吸熱峰，且其熱分解峰在281 ℃。初生纖維經牽伸和EDC/NHS交聯改性后，熱分解峰峰值由281 ℃偏移至288 ℃，這主要是由于初生纖維經牽伸和交聯改性后，絲素纖維內部無規線團/silk I結構向silk II結構轉變的結果造成的。同時絲素內部silk II結構含量的增加已經由FTIR和XRD證實。此外，質量分數為15 %和18 %條件下獲得的再生絲素纖維的DSC曲線的變化趨勢一致。主要是由在紡絲液質量分數為18 %的條件下獲得的再生絲素纖維的結構與15 %質量分數條件下獲得的纖維的結構相近(FTIR和XRD證實)造成的。

圖4 絲素蛋白纖維的DSC曲線Fig.4 DSC curves of silk fi broin fi bers

2.5 力學性能表征

表1為絲素紡絲液質量分數為15 %和18 %的條件下濕法紡絲獲得的再生絲素纖維與天然絲素纖維的力學性能對比。從表1中可知，天然絲素的斷裂強度為2.56 cN/dtex，斷裂伸長率為10.47 %，表現出良好的強度和柔韌性。

表1 絲素纖維的力學性能Tab.1 The mechanical properties of silk fi broin fi bers

在紡絲液質量分數為15 %的條件下，獲得的初生纖維的斷裂強度僅為0.52 cN/dtex，斷裂伸長率為4.95 %，這主要是初生纖維內部結構以無規線團/silk I為主。初生纖維經牽伸和EDC/NHS交聯改性后，斷裂強度和斷裂伸長率明顯增大，分別為1.41 cN/dtex和11.38 %。可見，初生纖維經牽伸和交聯改性后，絲素內部結構轉變為以silk II結構為主，加之交聯劑的交聯作用(圖5)，交聯后絲素纖維的斷裂伸長率明顯增加，且與天然絲素的斷裂伸長率相當。可見，再生絲素纖維經EDC/NHS交聯改性后，可明顯提高其力學性能，增強其生物醫藥性能。

此外，由于絲素溶液質量分數為15 %和18 %的條件下獲得的再生絲素纖維內部結構相近(經FTIR和XRD證實)，從表1中可見，2種質量分數條件下獲得的再生絲素纖維的力學性能相當。

圖5 絲素與EDC/NHS交聯劑的交聯機理Fig.5 The crosslinked mechanism of silk fi broin and EDC/NHS

3 結 論

1)采用濕法紡絲技術成功制備了再生絲素纖維，利用SEM觀察纖維微觀形貌可知，初生纖維的直徑約為192 μm，且纖維表面光滑。經1倍牽伸，纖維直徑明顯變細，直徑下降到81 μm。而EDC/NHS交聯改性后，纖維發生溶脹，直徑增加到87 μm。

2)由XRD、FTIR及DSC測試結果可知，初生纖維內部結構以silk II結構為主，經牽伸和交聯改性后，纖維內部構象無明顯變化，為Silk II構象，且纖維的熱分解峰峰值增加。

3)力學性能結果表明，纖維經EDC/NHS交聯改性后，其斷裂伸長率明顯增加，纖維表現出良好的柔韌性，有望用于生物醫用修復材料。

[1] 姚穆，周錦芳，黃淑珍，等. 紡織材料學[M]. 北京：中國紡織出版社，1980.

[2] SPEER D P, CHVAPIL M, ESKELSON C D, et al. Biological effects of residual glutaraldehyde in glutaraldehydetanned collagen biomaterials[J]. J Biomed Mater Res, 1980, 14(4):753-764.

[3] NISHI C, NAKAJIMA N, IKADA Y. In vitro evaluation of cytotoxicity of diepoxy compounds used for biomaterial modi fi cation[J]. J Biomed Mater Res, 1995, 29(2): 829-834.

[4] 張雪燕，顧其勝. 透明質酸與膠原蛋自復合材料的制備及其應用[J]. 上海生物醫學工程雜志，2003, 24 (1): 26-28.

[5] WISSINK M J B, BEERNINK R, PIEPER J S, et al. Immobilization of heparin to EDC/NHS crosslinked collagen. Characterization and in vitro evaluation[J]. Biomaterials, 2001,22(2): 151-163.

[6] OIDE DAMINK L H H, DIJKSTRA P J, VAN LUYN M J A, et al. Cross-linking of dermal sheep collagen using a water-soluble carbodiimide[J].Biomaterials, 1996, 17(8): 765-773.

[7] JIN H J, PARK J, KARAGEORGIOU V, et al. Water stable silk films with reduced beta sheet content[J]. Adv Funct Mater, 2005, 15(8): 1241-1247.

Wet spinning of the regenerated silk fibroin fibers and its cross-linking modification research

GAO Yan-fei, MING Jin-fa, DENG Chun-min, CHEN Mei, ZUO Bao-qi
(National Engineering Laboratory for Modern Silk, Suzhou 215123, China; College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University,Suzhou 215021, China)

Regenerated silk fibroin fibers were prepared by the wet-spinning method with Hexafluoroisopropanol(HFIP) as the solvent. Then, the regenerated silk fibroin fibers were processed by 1-(3-Dimethylaminopropyl)-3-ethylcarbodiimide(EDC) and N-Hydroxy succinimide(NHS) as the cross-linking agents. The fiber aggregative state structure and the changes of the mechanical properties before and after drafting and cross-linking were studied by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), FTIR, DSC, the mechanical property and other indicative methods. The results showed that after drafting and EDC/NHS cross-linking, the average diameter of the regenerated silk fibroin fibers became fine and its average value equaled 87μm. The crystal structure was mainly in silk II structure. The thermal stability of the fiber was improved, and the thermal decomposition peaks shifted from 281 ℃ to 288 ℃. In addition, the mechanical properties of the fibers obviously increased. Its tensile strength and elongation at break reached 1.41 cN/dtex and 11.38%, respectively,exhibiting good flexibility.

Silk fibroin; Wet spinning; Crosslinked modification

TS102.33；TQ340.142

A

1001-7003(2012)04-0010-05

2011-10-26 ；

2011-11-15

高艷菲(1988－ )，女，碩士研究生，研究方向為絲素蛋白生物醫用。 通訊作者：左保齊，教授，bqzuo@suda.edu.cn。