丝胶蛋白基水凝胶膜溶胀性能的研究

2011-10-18李庆春董显新

大众科技 2011年5期

关键词：丝胶缓冲溶液蒸馏水

李庆春邹君董显新

(广西化学纤维研究所，广西南宁 530022)

丝胶蛋白基水凝胶膜溶胀性能的研究

李庆春邹君董显新

(广西化学纤维研究所，广西南宁 530022)

采用丝胶蛋白为研究主体，与另一成膜组分聚甲基丙烯酸合成丝胶蛋白基水凝胶膜，探讨了丝胶蛋白基水凝胶膜溶胀性能。结果表明，丝胶蛋白基水凝胶膜溶胀行为由水分子扩散进入高分子网络占主导因素，在相同溶胀条件下，溶胀度与胶蛋白基水凝胶膜SS、MAA含量有关；丝胶蛋白基水凝胶膜具有pH敏感性和快速去溶胀速率及可逆溶胀-去溶胀性能。

丝胶蛋白；水凝胶膜；pH敏感性；溶胀；性能

丝胶蛋白是一种相对分子量为1.4～31.4万，由18种氨基酸组成的球状蛋白，对茧丝的胶着、离解等性质有重要影响，其二级结构以无规卷曲构象为主，含有少量B构象，几乎不含a螺旋构象。将一定浓度的丝胶蛋白水溶液在自然条件下放置，能得到热可逆性的丝胶凝胶膜，丝胶凝胶化过程中由于分子构象变化可引起透光率、强力（胶粘性）、表面张力等物理性质变化。凝胶膜的重要特性是吸水溶胀，随外界温度、pH值、电场作用、光、离子和某些化学物质的变化而发生结构和物理性能变化。当凝胶膜受到环境因素刺激时会发生突变，呈现溶胀相与收缩相相互转变行为，因这种特殊的性能，使凝胶在生物材料领域，例如酶固定化膜材料、细胞生长促进基质、组织修复膜材料、混合相分离膜材料等有着广阔的应用前景。

丝胶作为一种天然蛋白质，人们已经越来越关注丝胶凝胶化过程中发生的分子构象及结晶度的变化，对其凝胶化过程的研究，将为丝胶的应用打下坚实的理论基础。由于纯丝胶蛋白制备的凝胶膜力学性能存在缺陷，为了充分利用丝胶蛋白的功能特性，根据对水凝胶的性质的要求，有针对性地选择第二相物质与丝胶共混或聚合，可得到期望的性能，以满足生物医药领域越来越广泛的需要。本文以丝胶蛋白为研究主体，与另一环境敏感性单体结合起来制备出新的丝胶蛋白基水凝胶膜，从而交织和扩展各组分的功能，在此基础上对丝胶蛋白基水凝胶膜溶胀性能进行了研究。

（一）材料与方法

1.材料

（1）丝胶蛋白

本试验所用丝胶蛋白原料由本所根据试验要求分别制备。

（2）化学试剂

聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGO)：一级品，上海如发化工科技有限公司提供；甲基丙烯酸(MAA)：分析纯，上海市五联化工厂生产；过硫酸铵(APS)：分析纯，上海市爱建试剂厂生产；N，N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)：分析纯，上海市化学试剂公司提供；柠檬酸(C6H807)：分析纯，中国医药集团上海化学试剂公司；磷酸氢二钠(Na2HP04)：分析纯，成都科龙化工厂；磷酸二氢钠(NaH2P04)：分析纯，成都科龙化工厂；无水碳酸钠(Na2C03)：分析纯，成都科龙化工厂；碳酸氢钠(NaHC03)：分析纯，上海虹光化工厂；等等。

（3）蒸馏水

用HSZ11.20型蒸馏水仪器制备。

2.方法

（1）丝胶蛋白基水凝胶膜的制备

将ss与另一成膜组分的单体按一定质量分数比同时溶于去蒸馏水中，然后加入各自的交联剂和引发剂等，充分搅拌，于60℃温度静置反应24hr，将制得的ss基水凝胶常温浸泡于蒸馏水中5天，每隔4hr换一次水以去除未反应的单体、交联剂和引发剂，最后将水凝胶切割成片，烘干，制得ss基水凝胶膜。

在试验中选取另一成膜组分为聚甲基丙烯酸（PMAA）高分子聚合物，其单体为甲基丙烯酸（MAA）；MAA交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)，其加入量为MAA质量的2.7%； SS交联剂为聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGO)，其加入量为SS质量的30-40%；引发剂为过硫酸铵(APS)，其加入量为MAA质量的1.0%，不同SS、MAA含量的丝胶蛋白基水凝胶膜配比见表1。

表1 胶蛋白基水凝胶膜配比

（2）溶胀度的检测方法

用称重法测定水凝胶的溶胀率(SR)。将充分干燥的试样称重后，放入指定温度的蒸馏水中，每隔一定时间取出，用滤纸吸干表面的蒸馏水，迅速称量水凝胶重量。当水凝胶达到溶胀平衡时所对应的溶胀度称为平衡溶胀度(ESR)。按下列公式计算溶胀度(SR)：

式中：Wt为溶胀t时间的水凝胶重量(g)，Wa为溶胀前干胶重量(g)。

（3）去溶胀度的检测方法

首先将丝胶蛋白基水凝胶膜在pH7.4的缓冲溶液中充分溶胀达平衡，然后将水凝胶移到pH2.6的缓冲溶液中，每隔一定的时间，取出并用滤纸擦去水凝胶表面带出的液体，称重。去溶胀度WR按照下式计算：

其中，Wt为溶胀t时间的水凝胶重量(g)，Wa为溶胀前干胶重量(g)，Ws为在pH7.4缓冲溶液中充分溶胀达平衡时凝胶的重量(g)。

（4）溶胀可逆性的检测方法

把丝胶蛋白基水凝胶膜首先放入pH7.4的缓冲溶液中，每隔一定时间测定其重量，反复数次至其达到溶胀平衡。然后再将其转入pH2.6的缓冲溶液中，每隔一定时间测定其重量，反复数次至其达到溶胀平衡。经历pH7.4溶胀→pH 2.6去溶胀→pH 7.4溶胀→pH 2.6去溶胀的循环刺激，按（1）式计算其溶胀度。

（5）缓冲溶液的配制

根据《GB/T603-2002化学试剂试验方法中所用制剂及制品的制备》要求,用柠檬酸、磷酸二氢钠配制成pH为2.6缓冲溶液，磷酸氢二钠和磷酸二氢钠配制成pH为7.4的缓冲溶液。

（二）结果与讨论

1.丝胶蛋白基水凝胶膜在蒸馏水中的溶胀性能

水凝胶使用时一般均处于大量水溶胀的环境中，水作为第三组分将对水凝胶的性质产生相当大的影响，所以水凝胶在水中的动态溶胀过程是评价水凝胶性质的重要方面。很多学者研究了凝胶的溶胀动力学发现聚合物网络溶胀机理的聚集扩散与水分子的简单扩散略有不同，凝胶由干态开始吸水溶胀时，一般认为经过水分子扩散进入高分子网络、高分子链发生水合而松驰、高分子网络在水溶液中进行扩展3个连续的过程。根据Fickian第二扩散定律，如果第一个过程占主导地位，凝胶的吸水量Mt／M∞（溶胀t时刻与溶胀平衡时刻所吸水量之比）与吸水时间的平方根t½成正比关系。如果第二、第三过程占主导地位，其吸水量正比于吸水时间，吸水量与吸水时间平方根之间的关系曲线呈s型形状。

本试验模拟人体正常体温，把试验样品放入37℃的蒸馏水中浸泡，每隔一定的时间取出，用滤纸吸干表面的蒸馏水，迅速称量水凝胶质量，以探讨丝胶蛋白基水凝胶膜在蒸馏水中的溶胀性能。结果见图1、图2。

图1 在去离子水中的动态溶胀曲线

从图1中可以看到凝胶的吸水量和t½基本上成直线关系。这说明本试验制备的丝胶蛋白基水凝胶膜在37℃的蒸馏水中的溶胀行为由水分子扩散进入高分子网络过程所控制。

图2 在去离子水中溶胀度随时间的变化曲线

从图2可以看到本试验研制的丝胶蛋白基水凝胶膜样品在前30min溶胀速率变化非常快，30min后基本上达到溶胀平衡。在相同溶胀时间下，MS6溶胀度最大，MS2溶胀度最小。

2.丝胶蛋白基水凝胶膜的pH去溶胀性能

本项目研制的丝胶蛋白基水凝胶膜对pH具有显著的敏感性，这类水凝胶的溶胀或去溶胀是随pH值的变化而发生变化的。试验中，首先我们将试样放在pH7.4的缓冲溶液中充分溶胀达平衡，然后将水凝胶移到pH2.6的缓冲溶液中，每隔一定的时间，取出并用滤纸擦去水凝胶表面带出的液体，称重，计算去溶胀度WR（%），考察试样去溶胀性能，结果见图3。

图3 去溶胀曲线图

从图3可看出，MS2、MS3、MS4、MS5、 MS6的去溶胀率都大于MS1、 MS7，试样溶胀前30min，去溶胀率变化很快，并且随着丝胶蛋白含量的减少，其去溶胀率越大，失水率越高，溶胀至50min以后，去溶胀率变化趋于平稳。

3.丝胶蛋白基水凝胶膜的pH可逆溶胀性能

从上面的试验可以知道试样由pH7.4转移至pH2.6时会收缩失水，失水后的试样再次放入pH7.4的环境会产生什么样的行为？试验中，我们把丝胶蛋白基水凝胶膜首先放入pH7.4的缓冲溶液中，每隔一定时间测定其重量，反复数次至其达到溶胀平衡。然后再将其转入pH2.6的缓冲溶液中，每隔一定时间测定其重量，反复数次至其达到溶胀平衡。经历pH7.4溶胀→pH 2.6去溶胀→pH 7.4溶胀→pH 2.6去溶胀的循环刺激，按（1）式计算其溶胀度，以考察试样对pH响应的可逆行为，由于MS1、MS7去溶胀率变化没有MS2-MS7明显，本试验仅对MS2-MS7进行，结果如图4。

图4 溶胀-去溶胀曲线图

图4中峰的上升期为试样于pH7.4缓冲溶液的溶胀-去溶胀曲线，峰的下降期为试样于pH2.6缓冲溶液的溶胀-去溶胀曲线。从图中可以看出，试样由pH7.4转移至pH2.6时会收缩失水，收缩失水后的试样再次放入pH7.4缓冲溶液后，试样从新开始溶胀，试样经三次循环试验后，平衡溶胀度仅有微小的下降，MS3、MS4、MS5溶胀-收缩行为随pH变化最为明显，具有良好的pH溶胀-收缩可逆性。