乙醇-水蒸氣處理對靜電紡蠶絲蛋白納米纖維結構性能的影響

范志海，謝宗剛，張 鋒，左保齊

(蘇州大學a.附屬第二醫院骨科，江蘇蘇州215004;b.基礎醫學與生物科學學院;c.紡織與服裝工程學院，江蘇蘇州215123)

作為純天然蛋白質纖維，蠶絲不僅具有優異的 力學性能，而且其生物相容性與膠原相近，因此作為生物醫用材料受到了國內外學者的青睞與廣泛研究［1］。相關研究證實，天然蠶絲內部的結晶結構是蠶絲具有優異力學性能與穩定性的重要因素之一。然而在對蠶絲進行再生加工的過程中，天然蠶絲內部的結晶結構遭到破壞，從而導致再生蠶絲蛋白支架易于在水中溶解，且力學性能差。目前，誘導絲蛋白構象轉變從而提高再生絲蛋白支架水不溶性與力學性能的方法很多，如有機溶劑、溫度、拉伸和金屬離子后處理、與其他高分子共混等方法均可實現絲蛋白結構的轉變，從而獲得水不溶性與斷裂強度提高的再生SF支架。然而，大量 β-折疊結晶結構的形成在提高再生SF支架力學性能與不溶性的同時，又會導致再生SF材料脆性大。

最近的研究發現，水蒸氣處理在提高SF膜水不溶性的同時可以降低SF的結晶度，從而獲得了具有柔韌性的再生 SF膜［2］。Lu等［3］通過調控 SF自組裝形成以silkⅠ結構為主的再生SF膜，研究發現該SF膜不僅具有優異的柔韌性，同時降解速度可調。水蒸氣結合溫度變化可以實現對再生SF支架二級結構的調控，這對調控SF支架力學性能與生物相容性具有重要意義［4］。有機溶劑、特別是醇溶劑后處理是誘導SF支架發生構象轉變的最常用方法之一，被廣泛應用于各種形態再生SF支架。以往的研究主要是將SF支架浸漬于醇溶液中進行后處理，這種方法會導致支架內大量醇溶劑的殘留，同時使得后處理工藝復雜，如多孔支架需要二次凍干。最近的報道發現75%乙醇蒸汽處理可以誘導蠶絲蛋白納米纖維從無規卷曲向β-折疊結構轉變［5］。由于SF結構的轉變有很強的乙醇溶液質量分數的依賴性［6］，并且SF二級結構的差異會對SF支架的力學性能與降解性產生重要影響，因此本研究擬探討不同質量分數乙醇蒸汽后處理對靜電紡SF納米纖維形態、結構的影響，闡明靜電紡SF納米纖維結構轉變與乙醇質量分數的關系，為改善靜電紡SF納米纖維形態、結構與性能提供參考。

1 實驗

1.1 實驗材料

脫膠桑蠶絲(蠶絲蛋白)，碳酸鈉(Na2CO3，上海試劑總廠)，溴化鋰(LiBr·H2O，上海恒信化學試劑有限公司，分析純)，去離子水(自制)，甲酸(98%，江蘇強盛化工有限公司)，乙醇(上海化學試劑二廠)。

1.2 實驗方法

1.2.1 絲素溶解與絲素膜的制備

桑蠶絲用質量分數0.5%的碳酸鈉溶液煮沸脫膠，浴比1︰20，經3次每次脫膠30 min，獲得純SF纖維。然后以mLiBr︰mC2H5OH=40︰60的溶液溶解上述脫膠桑蠶絲，溶解后質量分數為20%，再經透析后在室溫下干燥成膜。

1.2.2 SF 納米纖維的制備

將SF膜溶于甲酸中獲得質量分數12%的SF紡絲液。然后通過自制靜電紡絲裝置進行紡絲:調節紡絲液流速為0.2 mL/h，紡絲電壓12 kV，紡絲距離12 cm，最終在接收板上形成靜電紡SF納米纖維膜。

1.2.3 不同質量分數乙醇蒸汽后處理

將收集到的SF納米纖維置于玻璃干燥器內，同時向干燥器內加入100 mL不同質量分數乙醇溶液，隨后用SHZ-D(Ⅲ)循環水式真空泵進行抽真空，并一直保持真空度在0.01 MPa，處理半小時后取出樣品進行相關測試分析。樣品 a、b、c、d、e、f和 g分別為未處理、99%、80%、60%、40%和20%乙醇蒸汽處理和純水蒸氣處理的絲素膜。

1.3 測試方法

1.3.1 掃描電鏡(SEM)觀察

日本日立S-4800型掃描電子顯微鏡觀察SF納米纖維形態結構。首先將樣品通過導電雙面膠粘貼在圓形樣品臺上，測試前進行噴金處理，噴金厚度在20～30 nm，測試在溫度20℃，相對濕度65%條件下進行。

1.3.2 紅外分析

美國NicoLET5700型紅外光譜儀(掃描次數為32次，波數范圍為4 000～500 cm-1，光譜分辨率為4 cm-1)測定SF分子結構;將樣品剪成粉末狀，通過KBr壓片法制成薄餅狀，測試室用氮氣進行吹掃以降低水汽吸收的干擾，然后進行紅外測試。

1.3.3 X-射線衍射分析

荷蘭PAN alytical公司的X'Pert Pro MPD X射線衍射儀(CuKα靶，加速電壓40 kV，電流40 mA，λ=0.154 nm)測試纖維的結晶結構，測試前將樣品剪成粉末狀。

1.3.4 DSC 分析

美國TA公司SDT-2960 DSC熱分析儀，測試條件為:室溫 ～300℃，升溫速率2℃/min，氮氣流量50 mL/min，樣品質量約2 mg。

2 結果與分析

2.1 形態結構

圖1為不同質量分數乙醇水溶液蒸汽處理后的靜電紡SF納米纖維的掃描電鏡圖片。從圖1可以看出，未處理及不同質量分數乙醇處理后的靜電紡SF納米纖維形態有明顯差異。未處理的靜電紡SF納米纖維表面平整，呈現棒狀，且由于靜電紡絲過程中纖維間的靜電斥力作用，纖維呈交叉分離式排列，纖維之間的空隙較大，纖維膜較為蓬松。99%乙醇蒸汽處理后纖維膜和纖維形態未發生明顯變化，說明乙醇蒸汽不會對靜電紡SF納米纖維形態產生明顯影響。當采用80%乙醇水溶液蒸汽處理時，纖維直徑略有增大，纖維之間緊密貼附在一起，纖維膜不再蓬松。隨著蒸汽中乙醇質量分數的降低，水比例的增加，纖維的變形越加嚴重，纖維直徑增加越來越明顯。當用99%水蒸氣處理時，纖維直徑幾乎增加了1倍，纖維之間相互粘連融合成一片，纖維膜幾乎失去網孔結構。此外，從宏觀來看，靜電紡SF納米纖維膜在后處理過程中會發生收縮，收縮程度隨含水比例的增加而增大。這說明，純乙醇分子不會引起SF納米纖維形態發生明顯變化，而水分子則可以直接滲透到SF納米纖維內部引起纖維發生明顯溶脹或部分溶解［6］，從而造成纖維直徑增大和粘連的發生。

圖1 不同質量分數乙醇蒸汽處理后靜電紡SF納米纖維膜的SEM圖片Fig.1 SEM images of electrospun SF nanofibers after treatment with ethanol vapor with different mass fractions

2.2 聚集態結構

圖2 是靜電紡SF納米纖維經不同質量分數乙醇蒸汽處理前后的紅外譜圖。未處理樣品的吸收峰主要在1 653、1 543、1 241 cm-1附近，說明該樣品中SF主要為無規線團或 α-螺旋構象［2］。純乙醇蒸汽處理后，樣品紅外吸收峰并未發生明顯變化，而其他質量分數乙醇后處理則引起樣品吸收峰發生了明顯的移動。如圖2所示，經80%及其以下質量分數乙醇蒸汽處理后，靜電紡SF納米纖維的紅外吸收峰分布在1 631、1 523 cm-1，肩峰1 265 cm-1附近，說明 SF發生了從無定形或silkⅠ向 β-折疊結構的轉變［3］。值得關注的一點是，純水蒸氣處理后，樣品在酰胺Ⅰ區的吸收峰為1 631 cm-1和1 653 cm-1兩個并列的峰，說明該處理條件下SF為silkⅠ和silkⅡ兩種并存的構象結構［2］。

圖2 不同質量分數乙醇蒸汽處理后靜電紡SF納米纖維的FTIR譜圖Fig.2 FTIR spectra of electrospun SF nanofibers after treatment with ethanol vapor with different mass fractions

圖3 是經不同質量分數乙醇蒸汽處理前后靜電紡SF納米纖維的X-衍射曲線。處理前的樣品(a)只有一個較寬泛的衍射峰，峰中心位于22°附近，說明處理前的樣品主要為無定形結構。與紅外譜圖結果相同，純乙醇蒸汽處理后樣品的X-衍射曲線(b)與處理前幾乎相同，表明純乙醇蒸汽處理沒有明顯改變靜電紡SF納米纖維的結晶結構。80%乙醇蒸汽處理后樣品(c)的X-衍射曲線依然較為寬泛，但衍射峰中心移動到21°附近，說明處理過程中SF發生了一定的結晶行為。隨著乙醇質量分數進一步的降低，處理后樣品的X-衍射曲線出現了較為突出的結晶峰。當乙醇質量分數介于60% ～20%時(d、e和f)，樣品的衍射峰主要位于 20.9°、23.4°和 27.2°附近，說明樣品主要為silkⅡ結晶結構［7］。而當用水蒸氣處理時(曲線 g)，樣品的結晶峰位于 10.8(Ⅰ)、20.1(Ⅰ)、20.6(Ⅱ)、24.2(Ⅱ)和 26.5(Ⅰ)，表明樣品為 silkⅠ和 silkⅡ并存的結晶結構［8］，與紅外結果一致。

圖3 不同質量分數乙醇蒸汽處理后靜電紡SF納米纖維的XRD衍射圖Fig.3 XRD diffraction diagram of electrospun SF nanofibers after treatment with ethanol vapor with different mass fractions

2.3 熱性能

圖4 所示為經不同質量分數乙醇蒸汽處理前后靜電紡SF納米纖維的DSC譜圖，主要反映了各樣品的含水揮發溫度、玻璃化轉變溫度、結晶溫度和熱分解溫度［4］。各樣品在48℃附近的吸熱峰正是樣品中所含水分的揮發所引起的。隨后出現了SF的玻璃化轉變溫度Tg，Tg隨后處理中乙醇含量的降低而升高，從未處理時的177℃升高到純水蒸氣處理后的197℃，表明處理后需要在較高的溫度下才能引起SF大分子的運動，處理中SF大分子的穩定性得到了提高。SF大分子的運動為其結晶提供了方便，Tg之后出現了SF的結晶峰，位于210℃。從圖4可以看出，結晶峰僅在樣品a和b的DSC曲線中出現，說明未處理樣品和純乙醇蒸汽處理后SF并未發生明顯結晶。相反，含有水分的乙醇后處理及純水后處理可以有效誘導SF發生從無定形向silkⅠ和silkⅡ轉變。最后出現的是SF的熱分解峰，且峰值也是隨著后處理乙醇質量分數含量的降低而升高，從未處理的264℃升高到純水處理后的273℃，說明不同質量分數乙醇蒸汽處理可以提高靜電紡SF納米纖維的熱穩定性。

2.4 靜電紡SF納米纖維結構轉變機理

天然蠶絲以silkⅡ結構為主，該結晶結構內肽鏈段排列規整，呈反平行β-折疊結構，是蠶絲具有優異的力學性能和穩定性的主要原因。而再生SF支架主要為無定形結構，不僅力學性能差，而且易溶于水。為了提高再生SF支架的水不溶性與力學性能，一般通過后處理誘導其發生結晶，醇溶液后處理是最為常用的方法之一。溶脹被認為是醇溶液處理過程SF發生結構轉變的重要原因。

圖4 不同質量分數乙醇蒸汽處理后靜電紡SF納米纖維的DSC曲線Fig.4 DSC curves of electrospun SF nanofibers after treatment with ethanol vapor with different mass fractions

圖5 不同質量分數乙醇蒸汽處理后靜電紡SF納米纖維的結構轉變示意Fig.5 Schematic diagram of structural transformation of electrospun SF nanofibers after treatment with ethanol vapor with different mass fractions

如圖5所示，靜電紡SF納米纖維內部主要為無定形結構。在99%的乙醇蒸汽中處理半小時后，靜電紡SF納米纖維的形態與結構并未發生明顯變化，這說明乙醇分子因體積較大難以滲透到纖維內部，不能引起纖維溶脹進而發生結構變化。水分子由于體積很小，因此可以輕易地進入SF納米纖維內部的自由空間，破壞分子間的氫鍵，引起纖維溶脹、部分溶解，發生塌縮，同時促使分子鏈發生重排與構象轉變，但由于溶脹程度有限，純水蒸氣處理后最終形成silkⅡ和silkⅠ并存的結晶結構。而在20% ～80%的乙醇溶液中，水分子會首先進入SF內部自由空間，破壞原有分子間氫鍵，隨后乙醇的進入進一步讓SF發生溶脹，最終形成以silkⅡ結構為主的結晶結構。以上分析說明，靜電紡SF納米纖維結構的轉變受到乙醇水溶液質量分數的影響:純乙醇蒸汽不能誘導SF發生結構轉變;純水蒸氣可以直接誘導SF發生結構轉變，但轉變不徹底，形成silkⅡ和silkⅠ并存的結晶結構;乙醇與水的混合蒸汽可以SF從無定形向silkⅡ結構的轉變［9］。

3 結論

1)SF納米纖維在純乙醇蒸汽中幾乎不發生任何形態變化;隨著蒸汽中水分的增加，纖維直徑開始增大，并發生相互粘連;在純水蒸氣中納米纖維膜發生劇烈收縮，纖維直徑顯著增加，相互間粘連在一起;

2)SF納米纖維在純乙醇蒸汽中未發生明顯結構變化，在20% ～80%乙醇中主要形成以silkⅡ結構為主的結晶結構，而在水蒸氣中處理則形成了以silkⅡ和silkⅠ并存的結晶結構;

3)純水蒸氣處理中，水分子會滲入到SF納米纖維內部引起纖維溶脹，同時促使SF結構發生轉變，但由于水分子的尺寸較小，引起的溶脹有限，因此最終形成silkⅡ和silkⅠ并存的結晶結構;純乙醇處理由于分子尺寸較大，難以直接深入到SF納米纖維內部，因此不會引起SF納米纖維形態與結構變化;乙醇/水蒸氣處理時，水分子會首先滲入到SF納米纖維內部引起纖維溶脹，同時加速乙醇分子的滲入，在水分子與乙醇分子的作用下促進SF發生結構轉變形成以silkⅡ結構為主的結晶結構。

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