半胱氨酸偶聯蛋白改性萊賽爾纖維性能研究

王慧鵬 葉小波 唐 林 董雄偉

（1.武漢紡織大學，湖北武漢，430200；2.當陽市鴻陽新材料科技有限公司，湖北宜昌，444100）

萊賽爾纖維是一種天然可降解的再生纖維素纖維，因其光澤優美，手感柔軟，吸濕性好等特點而備受關注，已被廣泛應用于內衣、面膜等諸多領域［1］。然而，由于纖維素纖維的親膚性及生物相容性還有待提高，限制了其在生物醫療及醫用功能敷料等領域的應用空間。關于萊賽爾纖維表面改性研究有很多。余升強［2］以蔗渣纖維素為原料制備蔗渣纖維素生物膜載體，同時通過物理改性和化學交聯改性使載體具有較強的拉伸強度、高孔隙率、大比表面積、較高的吸水保濕性及可控的降解性。劉瀾［3］利用農業廢棄物稻稈為原料，對其進行表面化學改性以及利用復合菌系進行生物改性，制備染料吸附劑。楊明煜［4］在纖維生產過程中進行表面化學交聯處理，以賦予纖維抗原纖化的能力。

膠原蛋白是存在于動物結締組織與骨骼肌中常見的纖維狀蛋白質，其分子結構獨特，呈現α-螺旋結構，由于其與人體極佳的生物相容性，在食品、醫藥、組織工程等領域獲得廣泛應用［5-6］。

本研究采用表面改性方法，使用半胱氨酸作為偶聯劑將膠原蛋白接枝于萊賽爾纖維上，并對改性后的萊賽爾纖維進行測試分析。

1 試驗

1.1 試驗原料

萊賽爾纖維規格1.44 dtex×38 mm，由當陽市鴻陽新材料科技有限公司提供。所使用的氫氧化鈉（片狀）采購于上海國藥公司；半胱氨酸采購于J&K公司；膠原蛋白由中國庫爾化工有限公司提供。研究中使用的所有化學物質均為分析純，因此無需再做進一步的提純處理。

1.2 萊賽爾半胱氨酸偶聯蛋白改性方法

取10 g萊賽爾纖維，用去離子水洗滌3遍后取出纖維，將其放入到質量分數為2%的氫氧化鈉溶液中，在30℃的恒溫水浴中洗滌15 min，洗滌結束后取出纖維，再將纖維放入到純乙醇溶液中，在30℃的恒溫水浴中洗滌，洗滌時間10 min后放在室溫下靜置30 min，再放入真空烘箱烘干至恒重；然后把纖維放入質量分數為8%的半胱氨酸溶液中（半胱氨酸溶液需先用氫氧化鈉調節至p H值6.8），在30℃的恒溫水浴中反應3 h，取出后用去離子水洗滌至中性，烘干至恒重；最后將與半胱氨酸反應后的纖維放入質量分數為5%的蛋白質溶液中（蛋白質溶液需先用稀鹽酸調節至p H值5.5），在30℃的恒溫水浴中反應4 h，取出后用去離子水洗滌至中性，烘干至恒重。

1.3 試驗儀器與測試方法

1.3.1 纖維表面微觀形貌

使用JSM-7500F型10 kV掃描電鏡對萊賽爾纖維接枝改性前后的表面形貌進行觀察。將需要檢測的纖維剪成1 cm長的束狀用導電膠貼在樣品臺上，在鍍金儀器上進行噴金處理后隨機在一束纖維的表面進行20個位置的電鏡掃描。

1.3.2 元素含量分析

使用K-Alpha+型X射線光電子能譜儀對萊賽爾纖維接枝改性前后的元素進行定量分析。首先，將需要檢測的纖維剪成1 cm長的束狀用雙面膠貼在樣品臺上，將樣品臺放入真空室，開始抽真空達到5×10-5Pa以下，X射線源為單色化Alka源（Mono Alka），進入分析室進行分析，對樣品隨機取5點進行測試。

1.3.3 紅外光譜分析

使用Bruker Tensor II型傅里葉變換紅外光譜儀測定樣品的紅外光譜圖，掃描次數為32次，分辨率為4 cm-1，掃描范圍為400 cm-1～4 000 cm-1。稱取2 mg左右的樣品與100 mg干燥過的溴化鉀粉末在10 MPa壓力下研磨壓成半透明膜片，在紅外光譜儀上測定萊賽爾纖維接枝前后的紅外光譜。DTGS檢測器為氘化硫酸三苷肽。

1.3.4 X射線衍射分析

使用XRD-6000型X射線衍射儀，得到改性前后的纖維大分子序態以及結晶度的變化，將纖維剪碎呈粉末狀后在X射線衍射儀得到萊賽爾纖維改性前后的X射線衍射圖。

1.3.5 力學性能測試

使用YG-003型單纖維強力機對改性前后萊賽爾纖維進行力學性能測試，將單根纖維在夾持長度10 mm、拉伸速度20 mm/min的條件下進行拉伸，至纖維被拉斷為止，儀器將會自動記錄纖維斷裂時的斷裂強力與斷裂伸長率。取100根纖維的數據平均值作為測試結果。

1.3.6 接枝率

對萊賽爾纖維接枝前后的試樣進行烘干稱重，接枝前萊賽爾纖維的質量記為W1，接枝后質量記為W2，接枝率計算見式（1）。

2 測試結果與討論

2.1 纖維的表觀形貌與分析

改性前后萊賽爾纖維的表觀形貌見圖1。從圖1可以看出，洗滌除雜后的萊賽爾纖維表面較光滑。由于NaOH溶液僅對萊賽爾纖維起到溶脹作用，未發生溶解現象，故纖維形貌沒有發生明顯變化。但萊賽爾纖維經過NaOH溶液處理、去離子水沖洗的處理過程后，其無定形區經歷膨脹-收縮過程，最后恢復到干燥狀態時大分子間原有的排列被大大改變，彼此之間堆砌得更加緊密，從而造成無定形區的收縮，其宏觀表現就是纖維的直徑較初始狀態有一定程度的回縮［7］。經半胱氨酸處理后的萊賽爾纖維表面有輕微的溝壑產生，直徑相對于洗滌除雜后的纖維有一定程度的減小。經蛋白接枝后的萊賽爾纖維，在外表面形成了一層較明顯的蛋白質膜，說明蛋白質不僅填充了纖維表面的裂紋和溝壑，而且還覆蓋上了明顯的蛋白質膜層，纖維直徑也得到了一定程度的恢復，改性前后的平均纖維直徑由初始的8.30μm增大到8.97μm，這說明萊賽爾纖維接枝蛋白的效果是明顯的。

圖1 改性前后萊賽爾纖維微觀形貌

2.2 元素含量分析

改性前后的萊賽爾纖維所含的元素含量情況見表1。

表1 改性前后萊賽爾纖維的元素含量

從表1可以看出，由于改性所帶來的基團變化，萊賽爾纖維原樣經過半胱氨酸處理后，半胱氨酸表面的羥基（—OH）與纖維表面的羧基（—COOH）發生酯化反應，所以蛋白接枝后的氮（N）和氧（O）元素含量相對增加；同時由于硫（S）元素只存在于半胱氨酸的巰基（—SH）與蛋白質氨基酸中，所以其相對含量變化增加極為明顯。

2.3 紅外光譜分析

改性前后萊賽爾纖維的紅外光譜圖見圖2。從圖2可以看出，萊賽爾纖維原樣和蛋白接枝后仍然在2 893.9 cm-1處存在—CH的伸縮振動吸收帶，在1 641.1 cm-1處存在纖維素纖維吸水產生H—O—H的對稱和不對稱伸縮振動峰，印證了蛋白接枝并不會改變萊賽爾纖維的特征結構。此外，蛋白接枝萊賽爾纖維在3 300 cm-1處出現了新的吸收峰，是—NH伸縮振動峰；而且1 221.3 cm-1處和1 004.3 cm-1處—OH的峰消失了，這是因為—OH發生反應生成了其他基團。說明蛋白接枝萊賽爾纖維的試驗是成功的。

圖2 改性前后萊賽爾纖維紅外光譜圖

2.4 X射線衍射分析

改性前后萊賽爾纖維的X射線衍射曲線圖見圖3。

圖3 改性前后萊賽爾纖維X射線衍射曲線圖

從圖3可以看出，在2θ為20°～22°處不僅含有纖維素Ⅱ型結晶結構的特征衍射峰，還明顯出現了纖維素Ⅲ型的特征峰。堿處理除去了纖維結構中的非纖維素成分，破壞了氫鍵的網絡結構，使纖維的化學組成、聚合度和纖維素微晶的分子取向發生了改變［8］。因此，萊賽爾纖維原樣和蛋白接枝后的X射線衍射曲線在經過堿處理后出現部分結晶度改變，但基本是吻合的，萊賽爾纖維原樣在2θ為20.5°處會出現強衍射峰，在2θ為41.2°處有相對較弱的衍射峰，這說明萊賽爾纖維在經過蛋白接枝后其內部序態結構沒有發生明顯的變化。

2.5 力學性能分析

改性前后萊賽爾纖維斷裂強力和斷裂伸長率的變化見圖4。

從圖4可以看出，與萊賽爾纖維原樣相比，經過半胱氨酸處理后的斷裂強力和斷裂伸長率均相對有所下降，而通過蛋白接枝后的萊賽爾纖維力學性能在一定程度上得到改善。這是因為巰基化導致萊賽爾纖維大分子鏈之間原有的結構完整性受到破壞，但其主體部分未受到破壞，因此降低了聚合物大分子之間的相互作用。在經過蛋白接枝后，原本被破壞的纖維表面被蛋白質膜層覆蓋修復，使得蛋白接枝后的纖維力學性能相比于改性前有一定程度改善，其斷裂強力、斷裂伸長率均相對提高了9.21%、4.4%。

圖4 改性前后萊賽爾纖維力學性能的變化

2.6 接枝率的變化

在其他試驗條件不變的情況下，研究半胱氨酸處理對蛋白接枝率的影響。依次對洗滌除雜后直接進行蛋白接枝的萊賽爾纖維、洗滌除雜后經過半胱氨酸處理后再與蛋白接枝反應的萊賽爾纖維進行真空烘干稱重，計算接枝率，結果見表2。

由表2可知，經過半胱氨酸處理后的萊賽爾纖維在蛋白接枝時的平均接枝率為2.4%，而未經半胱氨酸處理的萊賽爾纖維平均接枝率為1.75%。可以看出，經過半胱氨酸處理后的萊賽爾纖維相比于未經半胱氨酸處理后的萊賽爾纖維蛋白接枝率更高。

表2 經半胱氨酸處理的蛋白接枝率

3 結論

該制備方法成功為萊賽爾纖維接枝了一層致密且光滑的蛋白質膜層，賦予了萊賽爾纖維以天然蛋白質纖維的外觀與性能特征。對其表觀形貌變化進行觀測，發現半胱氨酸處理后的纖維直徑減小，而蛋白接枝后的纖維平均直徑達到8.97μm，比改性前的洗滌除雜處理增加了8.07%，且其表面出現了一層蛋白質膜層。改性后的萊賽爾纖維出現了酰胺鍵、二硫鍵及其元素成分，也表明蛋白質已成功接枝在萊賽爾纖維上。同時，經過半胱氨酸處理的萊賽爾纖維在接枝率上相比于未經過半胱氨酸處理的萊賽爾纖維提升了37.1%。制得的半胱氨酸偶聯蛋白改性萊賽爾纖維具有良好的力學性能，拓寬了其在生物醫療及醫用功能敷料等領域的應用空間。