氯化钙/甲酸溶解体系下氯化钙质量分数对蚕丝溶解性的影响

吴惠英， 左保齐， 周 燕

(1. 苏州经贸职业技术学院， 江苏 苏州 215009； 2. 苏州大学 纺织与服装工程学院， 江苏 苏州 215006； 3. 现代丝绸国家工程实验室(苏州)， 江苏 苏州 215123)

再生丝素蛋白具有良好的亲和性，无毒、无污染、无刺激性，良好的细胞附着率和增殖率，具有良好的生物可降解性[1-2]。丝素蛋白在组织工程诸多器官的体外构建中被用作细胞支架材料, 如组织工程化皮肤、软骨、肌腱、血管等[3]。天然蚕丝的再生过程首先是蚕丝的溶解，其溶解方式有很多，主要采用的溶剂有H2SO4/H3PO4[4]、铜氨溶剂[5-6]、Ca(NO3)2/CH3OH[7-8]、LiBr/C2H5OH/H2O[9]等。目前主要采用的是LiBr/C2H5OH/H2O(物质的量比为1∶2∶8)三元溶液溶解丝素，后经过脱盐处理制得丝素蛋白溶液。但这种方法溶解蚕丝后溶液需透析3 d，再次干燥成膜后进行溶解纺丝等过程，流程长，成本高。

本文采用CaCl2/FA(Formic Acid)溶解体系，将脱胶蚕丝直接溶解于混合溶液中，讨论蚕丝在该体系下的溶解情况，讨论溶解过程中不同CaCl2质量分数对溶解性的影响，并对丝素溶液进行形态观察、流变分析，然后将丝素溶液干燥成膜后进行红外测试及X衍射测试来分析材料的聚集态结构。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

材料：桑蚕丝；碳酸钠、氯化钙(上海试剂总厂)，甲酸(江苏强盛化工有限公司)。

日立S- 4800场发射扫描电镜(日本 Hitachi 公司)；NICOLET 5700智能型傅里叶红外光谱仪(美国Thermo Nicolet 公司)；X′Pert Pro MPD X射线衍射仪(荷兰PAN alytical 公司)；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器(巩义市英峪予华仪器厂)。

1.2 天然蚕丝的溶解

1.2.1脱胶过程

用分析天平称取一定量的天然桑蚕丝，用质量分数为0.05%的碳酸钠(Na2CO3)溶液按1∶20的浴比煮沸30 min，上述脱胶过程反复3次，每次脱胶后用60 ℃以上的去离子水清洗，放在60 ℃的烘箱中烘干即为脱胶蚕丝。

1.2.2溶解过程

图1示出脱胶蚕丝经过不同溶剂即LiBr/C2H5OH/H2O三元溶液和CaCl2/FA溶解体系下的溶解过程。图中显示采用LiBr/C2H5OH/H2O三元溶液所需流程长，且需要3 d的透析时间才可完成干燥成膜，进而再次溶解进行纺丝等再生丝素纤维的制备；而采用CaCl2/FA溶解方式，溶解后的丝素蛋白溶液可直接用来纺丝，流程短，成本相对较低。本文将脱胶蚕丝溶解在CaCl2/FA溶解体系中，讨论不同CaCl2质量分数对丝素溶解的影响。选择相同的溶解时间、溶解温度讨论丝素的溶解度，然后对丝素浓度为8%，CaCl2质量分数分别为1%、2%、5%、8%、10%时溶解后的丝素溶液进行形态结构、流变、红外光谱以及X衍射测定分析，讨论CaCl2质量分数对丝素溶解的影响。

图1 丝素不同溶解方式的流程图Fig.1 Schematic of degummed silk dissolve by different methods

1.3 测试分析

1.3.1溶解度测定

取脱胶后的丝素若干，在温度为25 ℃下溶解1 h，称取溶解前后丝素质量，按下式进行溶解率计算。

式中：W0为溶解前质量，g；W1为溶解后质量，g。

1.3.2流变性能测试

采用AR2000型流变仪对丝素蛋白溶液进行测定分析。选用35/1°Ti锥板，剪切速率为0.1～1 000 s-1，温度控制在(25±0.5) ℃。

1.3.3形貌观察

采用日立S- 4700型扫描电子显微镜观察丝素溶液及丝素膜断面的形态结构，喷金厚度为20～30 nm。将再生丝素溶液稀释至0.01 mg/mL，然后将稀释后的丝素溶液2 μL滴加到硅片上，自然风干后将硅片通过双面胶黏贴在SEM载物台上扫描观察丝素溶液的微观形态特征。将丝素溶液干燥成膜后，贴在SEM载物台上扫描观察丝素膜断面的微观形态特征。

1.3.4分子构象表征

采用NICOLET5700型红外光谱仪(扫描次数为32次，波数范围为4 000～500 cm-1，光谱分辨率为4 cm-1)测定溶液成膜后的分子结构。

1.3.5结晶结构

采用PAN alytical 公司的X′Pert Pro MPD X射线衍射仪(CuKα靶，加速电压为40 kV，电流为40 mA，λ=0.154 nm)测试溶液成膜后的结晶结构。

2 结果与分析

2.1 CaCl2质量分数对蚕丝溶解性的影响

天然蚕丝不溶于水，但可溶于强酸、强碱和部分中性盐溶液，CaCl2/FA溶解体系能够将蚕丝溶解，溶解过程分为溶液对纤维的渗透、破坏大分子内部的副价键等几个阶段，纤维溶胀、体积增大后，钙离子配位在丝素大分子链的氨基酸侧基处，CaCl2浓度越高，对纤维的破坏作用越强烈，纤维溶解越多。图2所示为丝素在不同CaCl2质量分数的CaCl2/FA混合溶液中的溶解情况。由图2可见，在相同的溶解温度、溶解时间作用下，丝素的溶解率随着CaCl2质量分数的增加而增加。在不同质量分数CaCl2的作用下，丝素的溶解行为均表现为前10 min溶解速度较快，溶解30 min后，丝素的溶解变缓，但仍呈上升趋势。当CaCl2质量分数较低(如1%)时，丝素的溶解在30 min后变化不明显，直至1 h丝素的溶解度只有3.62%；当质量分数达到10%时，丝素在1 h内的溶解度可达19.8%。

图2 CaCl2质量分数对丝素溶解度的影响Fig.2 Effect of CaCl2 concentration on solubility of SF

2.2 丝素流变性能分析

聚合物溶液的流变性能对于聚合物的成型加工及最终产品的性能有着十分重要的影响[10]。图3示出丝素在不同质量分数CaCl2溶解下的流变曲线。当CaCl2质量分数为1%时，丝素溶液的流变曲线中剪切黏度随剪切速率的增大先增加后减小，且黏度明显高于其他质量分数值溶解下的丝素溶液。由于CaCl2质量分数较低，部分丝素未充分溶解，在溶液中会有部分丝素缠结，剪切过程中需要更大的剪切力作用，因此表现为溶液黏度增加。当CaCl2质量分数为2%，丝素在溶液中完全溶解，溶液黏度随剪切速率变化不大，溶液显示为牛顿流体的特性，并且溶液黏度较低。当CaCl2质量分数介于5%～10%时，溶液的剪切黏度随剪切速率的增大先增加后减小。剪切黏度随剪切速率的增大而增大，属于剪切增稠现象。剪切黏度随剪切速率的增大而减小属于剪切变稀现象。剪切增稠是因剪切速率增加到某一数值时共混液中有新的结构形成，引起阻力增加，以致共混液的剪切黏度随剪切速率的增加而增大。剪切变稀是因丝素蛋白溶液中缠结点的拆除，当缠结点的拆除和重建达到一个动态平衡后，缠结点的浓度与剪切速率有关，柔性链分子的缠结点较多，因此，随着剪切速率的增大，缠结点的拆除较多，缠结点质量分数下降较快，因而表观黏度也明显下降[11-13]。

图3 丝素溶液的流变曲线Fig.3 Rheological behavior of SF solutions

2.3 丝素溶液的形貌分析

将溶液制样后在扫描电镜下观察，溶液的SEM照片如图4所示。与传统溶解方式LiBr/C2H5OH/H2O溶解法相比，丝素在CaCl2/FA溶解体系下的溶解行为有所不同。采用LiBr/C2H5OH/H2O溶解后，再生过程中，天然蚕丝的多级结构被高浓度的LiBr水溶液完全破坏甚至明显降解，将丝素自组装微纳结构打开为丝素大分子链段，导致蚕丝原有的优良性能弱化甚至消失。而采用CaCl2/FA溶解后，丝素溶液中可清晰地观察到纳米纤维结构，而不同的丝素结构会导致再生丝素纤维的性能差异。分子尺寸、尺寸分布及纳米纤维结构的尺寸及其取向等对再生丝素纤维的力学性能有所贡献[14]，因此采用CaCl2/FA溶解方式得到溶液中存在的纳米纤维结构对静电纺丝或湿法纺丝形成纤维的力学性能有所提高。

将CaCl2/FA溶解后的丝素溶液置于塑料皿干燥，溶剂挥发干燥成膜后，置于去离子水中浸泡4～6 h，去盐，室温干燥。图5示出丝素干燥膜断面的SEM照片，在干燥膜断面内仍能观察到纳米纤维结构。随着CaCl2质量分数的增加，丝素膜的致密程度逐渐增加。

图4 丝素溶液的SEM照片Fig.4 SEM of SF solutions

图5 丝素干燥膜断面的SEM照片 (×5 000)Fig.5 Section SEM of SF films (×5 000) at concentration of CaCl2 1% (a), 2% (b), 5% (c), 8% (d), and 10% (e)

2.4 丝素蛋白的红外光谱分析

红外光谱是研究丝素蛋白构象的简单而实用的方法之一，常被用来定量或定性表征丝素蛋白分子构象的转变[15]。将溶液至于塑料皿中晾干，放在去离子水中浸泡去盐后室温干燥，测试干燥膜的红外光谱图如图6所示。丝素的主要特征吸收峰1 640～1 625 cm-1(酰胺Ⅰ)、1 530～1 515 cm-1(酰胺Ⅱ)、1 265cm-1(酰胺Ⅲ)为β-折叠构象[16-17]。不同质量分数的CaCl2溶解的丝素蛋白溶液表现出相似的吸收谱带。图6中主要酰胺峰分别在1 628、1 527、1 238 cm-1附近，说明通过CaCl2/FA溶解后的丝素溶液中丝素蛋白大分子以β-折叠结构为主。但随着CaCl2质量分数的增加，丝素的吸收峰变宽，尖锐度变差。

图6 丝素膜的红外光谱图Fig.6 FT-IR curves of SF films

2.5 丝素的X衍射分析

图7示出溶解后丝素溶液成膜的X衍射曲线。结晶结构的丝素尤其是SilkⅡ中，肽链链段的排列较整齐，相邻链段之间的氢键和分子间引力使它们结合得相当紧密[18]。从图中可看出，当CaCl2的质量分数较低(1%、2%和5%)时，在9.5°处有宽圆峰，属于Silk II结构。而5种质量分数溶解的丝素溶液在20.5°和23.9°处分别有尖峰，均属于Silk II结构，其中CaCl2质量分数为1%、2%和5%时的峰更尖锐。当CaCl2质量分数为10%时，再生丝素膜显示出1个较宽的衍射峰，峰位介于20°～23°之间。

图7 丝素膜的X衍射谱图Fig.7 XRD curves of SF films

3 结 论

采用CaCl2/FA溶解体系溶解丝素，在相同的溶解温度、溶解时间作用下，丝素的溶解度随着CaCl2质量分数增加而增加，溶解前10 min溶解速度较快，溶解30 min后，丝素的溶解变缓，但仍呈上升趋势，当质量分数达到10%时，丝素在1 h内的溶解度可达19.8%。流变分析表明，丝素溶液的流变曲线中剪切黏度随剪切速率的增大先增加后减小，表现为剪切增稠现象，CaCl2质量分数为1%时，黏度明显高于其他浓度值溶解下的丝素溶液。SEM表明，丝素溶液以及丝素干燥膜中均可清晰观察到纳米纤维结构。随着CaCl2质量分数的增加，丝素膜的致密程度逐渐增加。红外光谱分析表明，该溶解体系制备的丝素蛋白溶液中丝素蛋白大分子以β-折叠结构为主，主要酰胺峰分别在1 628、1 527、1 238 cm-1附近，而CaCl2质量分数的不同对丝素溶液的结构影响不明显。X衍射分析表明，当CaCl2的质量分数较低(1%、2%和5%)时，在9.5°处有宽圆峰，5种质量分数溶解的丝素溶液在20.5°和23.9°处分别有尖峰，均属于Silk II结构。

FZXB

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