碳酸鈉質量濃度對蠶絲脫膠效果及絲素纖維結構與降解性能的影響

周 燕, 吳惠英,, 左保齊

(1.蘇州經貿職業技術學院 輕紡系, 江蘇 蘇州215009; 2.蘇州大學 紡織與服裝工程學院, 江蘇 蘇州 215006;3.現代絲綢國家工程實驗室, 江蘇 蘇州 215123)

碳酸鈉質量濃度對蠶絲脫膠效果及絲素纖維結構與降解性能的影響

周 燕1, 吳惠英1,2,3, 左保齊2,3

(1.蘇州經貿職業技術學院 輕紡系, 江蘇 蘇州215009; 2.蘇州大學 紡織與服裝工程學院, 江蘇 蘇州 215006;3.現代絲綢國家工程實驗室, 江蘇 蘇州 215123)

研究了5、50、500 g/L三種不同質量濃度碳酸鈉(Na2CO3)溶液對蠶絲脫膠效果，以及絲素纖維結構與降解性能的影響。結果表明：隨著Na2CO3質量濃度的增加，纖維表面刻蝕顯著。降解過程中纖維的質量殘留百分率隨著Na2CO3質量濃度的增加而增加。纖維在蛋白酶溶液中的降解行為比磷酸緩沖溶液(PBS)溶液中明顯，在酶溶液中纖維被降解液嚴重攻擊，纖維表面出現明顯絲素短纖，質量殘留百分率比PBS溶液中的質量殘留百分率明顯。降解前后纖維的斷裂應力隨著Na2CO3質量濃度的增加明顯降低，在酶溶液中0.5%脫膠蠶絲的斷裂應力降低約50%。紅外光譜圖表明纖維在降解前后的特征吸收峰基本沒有變化。

脫膠; 降解性; 表面形貌; 紅外光譜; 蠶絲；碳酸鈉

蠶絲因其優異的力學性能和良好的生物相容性使其在生物醫用材料領域日益受到重視，并逐漸成為近年來的研究熱點。作為組織工程中的支架材料，在具有良好生物相容性的前提下，其降解性是一項重要指標，希望其降解速度與組織的再生速度相匹配，從而達到良好的修復效果[1-2]。天然蠶絲的絲素和絲膠含量因蠶絲種類的不同而不同，通常絲素約占75%，絲膠約占25%[3]。蠶絲作為一種蛋白質，可被某些酶所降解，若被植入人體內，最終也會被吸收，只是所需要的時間比一般意義上的可降解材料長[2,4-5]。如何控制絲素蛋白材料的降解速度引起學者的普遍關注。

脫膠過程會對蠶絲的結構性能有一定的影響，本文研究Na2CO3質量濃度對蠶絲脫膠效果及絲素纖維結構與降解性能的影響。主要測試脫膠率、脫膠后纖維表面形態變化、絲素在磷酸緩沖溶液(PBS)、放線菌蛋白酶溶液(Protease XIV)中的降解性等指標，從纖維的質量殘留百分率、表面形態、力學性能分析及紅外光譜測試等方面進行表征。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

1.1.1 材 料

材料：桑蠶絲(絲線密度為65 dtex，浙江湖州宏成紡織有限公司)。

試劑：碳酸鈉(Na2CO3，上海試劑總廠)，磷酸緩沖溶液(PBS，上海雙螺旋生物科技有限公司)，放線菌蛋白酶(美國Sigma公司)。

1.1.2 儀 器

ISO 9001型分析天平(北京賽多利斯天平有限公司)，日立S-4800場發射掃描電鏡(日本日立公司)，3365單纖維電子強力儀(理寶商貿(上海)有限公司)，NicoLET 5700智能型傅立葉紅外光譜儀(北京尼高力天光科貿有限公司)。

1.2 天然蠶絲的脫膠

本實驗采用三種不同質量濃度的Na2CO3溶液進行脫膠至絲膠完全去除。用5 g/L、50 g/L、500 g/L的Na2CO3溶液按1︰20的浴比煮沸30 min，上述脫膠過程反復進行3次，脫膠后絲素用60 ℃以上的去離子水清洗，60 ℃條件下的烘箱里烘干即為脫膠蠶絲。分別命名為5 g/L-silk、50 g/L-silk和500 g/L-silk。

(1)

式中：Wa為脫膠前蠶絲質量，Wb為脫膠后絲素質量。

1.3 天然絲素纖維的降解

1.3.1 天然絲素纖維在PBS溶液中的降解

在眾多有關絲素纖維的降解研究中，多數采用PBS溶液作為體外降解實驗[6]。本實驗選用PBS及放線菌蛋白酶溶液對天然絲素纖維進行降解實驗。PBS緩沖溶液的制備：精確稱取在110～120 ℃下干燥的磷酸二氫鉀13.609g，溶于去離子水中，準確稀釋至500mL；將氫氧化鈉配成飽和溶液，藏于內敷有石蠟的玻璃瓶中，密閉放置至溶液清亮，然后量取5mL清亮的氫氧化鈉飽和溶液，用去離子水稀釋至1 000mL，標定調整溶液體積使質量濃度為0.1mol/L。然后準確量取39.34mL氫氧化鈉溶液與25mL磷酸二氫鉀溶液混合后稀釋至100mL制得pH7.4的緩沖溶液。將試樣真空干燥48h后稱重，在250mL的錐形瓶中加入PBS溶液100mL，將上述制得的方形試樣完全浸入其中，每個錐形瓶中浸入1個試樣，用膠塞密封，置于(37±1) ℃水浴中進行水解實驗。每3d取樣進行測試及表征，PBS溶液的體外降解實驗持續90d。取出的樣品于105 ℃烘干后稱重，計算質量殘留百分率。

1.3.2 天然絲素纖維在放線菌蛋白酶溶液中的降解

放線菌蛋白酶于37 ℃溶解于0.05M(pH7.4)的磷酸緩沖溶液中，得到5U/mL的放線菌蛋白酶溶液。降解過程中每隔2h取出樣品，同時用新配制的酶溶液更換原來的酶溶液，使其他的樣品繼續降解，酶溶液的體外降解實驗持續48h。取出的樣品加入50mL蒸餾水浸泡1d，反復清洗，除去無機鹽，室溫干燥，精確稱重，計算質量殘留百分率。

1.4 分析測試

1.4.1 纖維形貌觀察

采用日本日立S4800型掃描電子顯微鏡觀察纖維形態結構，測試前進行噴金處理，噴金厚度20～30nm。

1.4.2 質量殘留百分率測定

將降解前后的天然絲素纖維樣品于105 ℃烘干后稱重，計算質量殘留百分率DWR(dryweightresidualratio)，

(2)

式中：W0為降解前樣品絕對干重，W1為降解后樣品絕對干重。

1.4.3 力學性能測試

用美國Instron公司3365電子強力儀測定脫膠及降解后天然絲素纖維力學性能測試。根據標準GBT 14337—1993《合成短纖維斷裂強力及斷裂伸長試驗方法》，測試時夾持距離20 mm，拉伸速率10 mm/min，預加張力0.05 cN/dtex，強力與伸長的精度分別為0.01 cN和0.01 mm，每類樣品測試根數為20根。

1.4.4 FTIR分析

用美國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)測定纖維分子結構；將樣品剪成粉末狀，通過KBr壓片法制成薄餅狀進行紅外測試。

2 結果與分析

2.1 脫膠處理對絲素的影響

經過不同質量濃度Na2CO3溶液脫膠后三種蠶絲5 g/L-silk、50 g/L-silk和500 g/L-silk的脫膠率分別為24.8%、25.2%和27.5%。

圖1為經過不同質量濃度Na2CO3脫膠后的天然絲素表面形態。從圖1可以看出，經過5 g/L Na2CO3脫膠后，蠶絲表面仍有部分絲膠未被去除，隨著Na2CO3質量濃度的增至50 g/L時，蠶絲表面變光滑，纖維的平均直徑為(14.2±3)μm。當質量濃度增至50 g/L時，纖維出現裂解、分纖狀態，纖維的平均直徑減小為(9.1±2)μm。當質量濃度增加到500 g/L時，纖維明顯發生裂解，在纖維表面可以清晰看到劈裂的微原纖結構，與50 g/L質量濃度處理的纖維相比直徑反而有所增加，纖維的平均直徑增至(12.3±5) μm。

圖1 不同質量濃度脫膠處理后纖維表面形態Fig.1 Surface morphology of fibers after degumming treatment under different mass concentration

2.2 天然絲素纖維降解后形態結構變化

絲素纖維的降解程度與結構、形態特征及催化其降解的酶種類，即切割位點的專一性有關[7]。高分子材料的生物降解并非單一機理，是一個復雜的生物物理、生物化學協調作用，相互促進的過程[8]。

通過 SEM 觀察纖維形貌可以直接反映出不同降解時期纖維的變化情況。將經過降解的天然絲素纖維從降解液中取出后用去離子水清洗干凈，晾干后觀察材料的表面形態。

天然絲素纖維在PBS溶液中降解后的形態結構如圖2(a)(b)(c) 所示。低質量濃度Na2CO3脫膠后的絲素纖維降解后其表面基本保持不變，呈現致密而光滑的外觀，只是發生溶脹現象，纖維直徑變粗。隨著質量濃度的增加，絲素纖維在脫膠過程中由于Na2CO3的作用損傷明顯，因此纖維抵抗降解液作用的能力降低，纖維縱向開始出現一些溝槽，90 d的降解后，500 g/L的Na2CO3脫膠絲已出現細小的原纖劈裂。

天然絲素纖維在放線菌蛋白酶溶液中降解后的形態結構如圖2(d)(e)(f) 所示。與PBS溶液中的降解行為不同，天然絲素纖維在放線菌蛋白酶溶液中的降解更劇烈，經過48 h的降解后，500 g/L-silk纖維主體發生了破壞性的斷裂。但50 g/L-silk經過48 h降解后，纖維表面光滑程度明顯降低，變得粗糙，但纖維主體仍保持完整，只出現了部分劈裂現象。說明天然絲素纖維在酶溶液的作用下開始部分降解。隨著降解時間的持續，天然絲素纖維的某些位置的形貌被嚴重損壞，這可能是由于在蠶絲形成過程中，存在缺陷點，而當酶對蠶絲降解時，首先進攻蠶絲上的缺陷位置，天然絲素纖維由降解初期的微纖結構的剝離破裂，到降解后期極少部分的溶解。

圖2 不同降解時間纖維表面形態Fig.2 Surface morphology of fibers treated under different degradation time

2.3 天然絲素纖維降解過程質量變化

2.3.1 PBS降解后絲素材料質量變化

隨著時間的持續，纖維的降解程度不同。利用質量殘留百分率的變化表征材料在不同溶液中的降解速度。質量殘留百分率大質量損失就快，降解速率就快。將不同材料浸入PBS溶液中進行體外降解實驗，降解曲線如圖3所示。

經PBS溶液浸漬1 d后，5 g/L-silk的質量損失了0.01%，到第30 d時，累計的質量損失為0.7%，降解60 d時，累計的質量損失為0.9%，降解90 d時，累計的質量損失為1.5%。經過低質量濃度Na2CO3脫膠處理后的纖維表面仍殘留部分絲膠，因此在降解液中絲膠的存在會保護絲素受到的破壞小。經過50 g/L-silk經PBS溶液浸漬1 d后質量損失0.4%，到第30 d時，累計的質量損失為4.8%，降解60 d時，累計的質量損失為7.9%，降解90 d時，累計的質量損失為9.8%。這種緩慢的降解速度一方面可以提高材料的強度維持時間，另一方面可以避免短期內大量降解產物的釋放，屬機械性能很好的生物材料。經過500 g/L-silk降解1 d后質量損失0.8%，到第30 d時，累計的質量損失為10.6%，降解60 d時，累計的質量損失為15%，降解90天時，累計的質量損失為15.3%。天然絲素纖維由于其規整的分子結構和高度的取向性，結構穩定，在一般的降解條件下降解困難[6,9-10]。

圖3 纖維在PBS溶液中的降解曲線Fig.3 Degradation curves of silk in PBS solution

2.3.2 放線菌蛋白酶溶液降解后絲素材料質量變化

圖4 纖維在放線菌蛋白酶溶液中的降解曲線Fig.4 Degradation curves of silk in actinomycetes protease solution

采用放線菌蛋白酶溶液對絲素材料進行降解實驗[9]。比較不同質量濃度脫膠后的絲素材料在酶溶液中的降解情況。將不同材料浸入放線菌蛋白酶溶液中進行體外降解實驗，降解曲線如圖4所示。經放線菌蛋白酶溶液浸漬1 h后，5 g/L-silk質量損失了0.15%，10 h后，累計的質量損失為0.77%，降解24 h后，累計的質量損失為2.6%，降解30 h后，累計的質量損失為3.7%，降解48 h后，累計的質量損失為5.5%。

經放線菌蛋白酶溶液浸漬1 h后，50 g/L-silk質量損失了0.4%，10 h后，累計的質量損失為3.6%，降解24 h后，累計的質量損失為7%，降解30 h后，累計的質量損失為10.5%，降解48 h后，累計的質量損失為15.4%。

經放線菌蛋白酶溶液浸漬1 h后，500 g/L-silk質量損失了1%，10 h后，累計的質量損失為5.1%，降解24 h后，累計的質量損失為11%，降解30 h后，累計的質量損失為14.8%，降解48 h后，累計的質量損失為24.2%。

2.4 天然絲素纖維降解后力學性能變化

纖維在PBS溶液和放線菌蛋白酶溶液中降解前后的力學變化分別如圖5(a)(b)所示。PBS溶液降解過程中選擇30、60 d和90 d作為測試纖維力學變化的時間點，由于纖維在PBS溶液中的性質較穩定，三種不同脫膠的纖維表現出相似的降解性，即斷裂應力隨時間的延長降低不明顯。5 g/L-silk在降解90 d后，其斷裂應力由未處理前的365.1 MPa只降低到360.5 MPa，降低約1%左右；500 g/L-silk由未處理前的196.2 MPa降低到172.1 MPa，降低約12%左右。

圖5 纖維降解前后的力學性能Fig.5 Mechanical property of fibers before and after degradation

在放線菌酶蛋白溶液中纖維受到酶的攻擊較明顯，24 h后，三種纖維的斷裂應力比在PBS溶液中有了顯著變化，明顯降低。5 g/L脫膠蠶絲的斷裂應力由未處理前的365.1 MPa只降低到295.4 MPa，降低約20%左右；500 g/L-silk斷裂應力由未處理前的196.2 MPa降低到96.3 MPa，降低約50%左右。實驗表明脫膠程度越嚴重，纖維在降解液中性質越不穩定，降解速度越快。

2.5 酶降解后天然絲素纖維的紅外光譜

不同脫膠處理后的天然絲素纖維在放線菌蛋白酶溶液中降解48 h，纖維降解前后的紅外光譜圖如圖6所示。降解前后，蠶絲的特征吸收峰沒有發生變化，樣品在1 695，1 627(amide I)，1 523(amide II)，1 228 cm-1(amide III)出現吸收峰，歸屬于β-折疊，屬于silk II構象。降解前后天然絲素纖維在酰胺I和酰胺II處的吸收峰較寬，而在酰胺III處的吸收峰較尖銳。

圖6 纖維經放線菌蛋白酶溶液降解后的紅外光譜圖Fig.6 FT-IR spectrograms of fibers after degradation in actinomycetes protease solution

3 結 論

采用5 g/L、50 g/L、500 g/L不同質量濃度Na2CO3溶液對天然蠶絲脫膠，隨著Na2CO3溶液質量濃度的增加，纖維由光滑表面變為部分纖維裂解，分纖狀態明顯。降解過程中纖維的質量殘留百分率隨著Na2CO3質量濃度的增加而增加。500 g/L-silk在PBS溶液中降解90 d，累計質量損失為15.3%，經放線菌蛋白酶溶液降解48 h后，累計質量損失為24.2%。三種蠶絲表現出不同的降解行為，因此本實驗表明通過脫膠過程是可以調控絲素的降解速度。纖維斷裂應力隨Na2CO3溶液質量濃度的增加逐漸減小，在PBS溶液中500 g/L-silk的斷裂應力降低約12%，在酶溶液中降低約50%，說明纖維在酶溶液中的降解相對顯著。纖維在降解前后的特征吸收峰基本沒有變化。

[1]CAO H, CHEN X, HUANG L, et al. Electrospinning of reconstituted silk fiber from aqueous silk fibroin solution[J]. Materials Science and Engineering,2009,29(7):2270-2274.

[2]CHEW S Y, MI R, HOKE A, et al. The effect of the alignment of electrospun fibrous scaffolds on schwann cell maturation[J]. Biomaterials,2008,29(6):653-661.

[3]楊雪霞,勞繼紅.蠶絲酶精練研究進展[J].絲綢,2007(8):66-75. YANG Xuexia, LAO Jihong. Research process of enzymatic scouring of silk[J]. Journal of Silk,2007(8):66-75.

[4]KO E P, SUNG Y J, SEUNG J L, et al. Biomimetic nanofibrous scaffolds: preparation and characterization of chitin/silk fibroin blend nanofibers[J]. International Journal of Biological Macromolecules,2006,38(3-5):165-173.

[5]VEPARI C, KAPLAN D L. Silk as a biomaterial[J]. Progress in Polymer Science,2007,32(8):991-1007.

[6]黃訓亭,邵正中,陳新.天然蠶絲與絲素蛋白多孔膜的生物降解性研究[J].化學學報,2007(22):2592-2596. HUANG Xunting, SHAO Zhengzhong, CHEN Xin. Investigation on the biodegradation behavior of Bombyx mori silk and porous regenerated fibroin scaffold[J]. Acta Chimica Sinica,2007(22):2592-2596.

[7]GUPTA D, VENUGOPAL J, PRABHAKARAN M P, et al. Aligned and random nanofibrous substrate for the in vitro culture of schwann cells for neural tissue engineering[J]. Acta Biomaterialia,2009,5(7):2560-2569.

[8]CAO Y, WANG B. Biodegradation of silk biomaterials[J]. International Journal of Molecular Science,2009,10(4):1514-1524.

[9]HORAN R L, ANTLE K, COLLETTE A L, et al. In vitro degradation of silk fibroin[J]. Biomaterials,2005,26(17):3385-3393.

[10]WANG Y Z, RUDYM D D, WALSH A, et al. In vivo degradation of three-dimensional silk fibroin scaffolds[J]. Biomaterials,2008,29(24/25):3415-3428.

Influences of Sodium Carbonate Concentration on Silk Degumming Effect, Structure and Degradation Performance of Fibroin Fiber

ZHOU Yan1, WU Huiying1,2,3, ZUO Baoqi2,3

(1.Department of Textile, Suzhou Institute of Trade & Commerce，Suzhou 215009, China; 2.College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215123, China; 3. National Engineering Laboratory for Modern Silk, Suzhou 215123, China)

The influences of Sodium Carbonate(Na2CO3) solution with different mass fractions(5, 50, 500 g/L) on silk degumming effects, the structure and performance degradation of fibroin fiber were discussed in this paper. The results indicate that the surface of fiber is eroded significantly with the increase of Na2CO3mass fraction; in the degradation process, weight residual percentage of fiber rises with the increase in Na2CO3mass fraction. The degradation behavior of fiber in protease solution is more obvious than that in PBS. The fiber is seriously attacked by degradation liquid in enzyme solution. Besides, significant short fibroin fiber appears on the surface of fibers. Weight residual percentage is more significant than that in PBS solution. Before and after degradation, breaking stress of fiber obviously decreases with the rise in Na2CO3mass fraction. In enzyme solution, breaking stress of 0.5% degummed silk decreases by about 50%. Infrared spectrogram indicates characteristic absorption peak of fibers before and after degradation is nearly the same.

degumming; degradation performance; morphology; infrared spectrogram; silk; Sodium Carbonate

2014-11-05;

2014-12-01

江蘇省應用基礎研究計劃項目(BK20141207);蘇州市應用基礎研究計劃項目(SYG201431)

周燕(1974-)，女，副教授，主要從事紡織新材料、生態紡織材料、新型纖維改性技術的研究。

doi.org/10.3969/j.issn.1001-7003.2015.03.004

TS190.5

A

1001-7003(2015)03-0016-05 引用頁碼: 031104