碳酸钠质量浓度对蚕丝脱胶效果及丝素纤维结构与降解性能的影响

周 燕, 吴惠英,, 左保齐

(1.苏州经贸职业技术学院 轻纺系, 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, 江苏 苏州 215123)

碳酸钠质量浓度对蚕丝脱胶效果及丝素纤维结构与降解性能的影响

周 燕1, 吴惠英1,2,3, 左保齐2,3

(1.苏州经贸职业技术学院 轻纺系, 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, 江苏 苏州 215123)

研究了5、50、500 g/L三种不同质量浓度碳酸钠(Na2CO3)溶液对蚕丝脱胶效果，以及丝素纤维结构与降解性能的影响。结果表明：随着Na2CO3质量浓度的增加，纤维表面刻蚀显著。降解过程中纤维的质量残留百分率随着Na2CO3质量浓度的增加而增加。纤维在蛋白酶溶液中的降解行为比磷酸缓冲溶液(PBS)溶液中明显，在酶溶液中纤维被降解液严重攻击，纤维表面出现明显丝素短纤，质量残留百分率比PBS溶液中的质量残留百分率明显。降解前后纤维的断裂应力随着Na2CO3质量浓度的增加明显降低，在酶溶液中0.5%脱胶蚕丝的断裂应力降低约50%。红外光谱图表明纤维在降解前后的特征吸收峰基本没有变化。

脱胶; 降解性; 表面形貌; 红外光谱; 蚕丝；碳酸钠

蚕丝因其优异的力学性能和良好的生物相容性使其在生物医用材料领域日益受到重视，并逐渐成为近年来的研究热点。作为组织工程中的支架材料，在具有良好生物相容性的前提下，其降解性是一项重要指标，希望其降解速度与组织的再生速度相匹配，从而达到良好的修复效果[1-2]。天然蚕丝的丝素和丝胶含量因蚕丝种类的不同而不同，通常丝素约占75%，丝胶约占25%[3]。蚕丝作为一种蛋白质，可被某些酶所降解，若被植入人体内，最终也会被吸收，只是所需要的时间比一般意义上的可降解材料长[2,4-5]。如何控制丝素蛋白材料的降解速度引起学者的普遍关注。

脱胶过程会对蚕丝的结构性能有一定的影响，本文研究Na2CO3质量浓度对蚕丝脱胶效果及丝素纤维结构与降解性能的影响。主要测试脱胶率、脱胶后纤维表面形态变化、丝素在磷酸缓冲溶液(PBS)、放线菌蛋白酶溶液(Protease XIV)中的降解性等指标，从纤维的质量残留百分率、表面形态、力学性能分析及红外光谱测试等方面进行表征。

1 实 验

1.1 材料与仪器

1.1.1 材 料

材料：桑蚕丝(丝线密度为65 dtex，浙江湖州宏成纺织有限公司)。

试剂：碳酸钠(Na2CO3，上海试剂总厂)，磷酸缓冲溶液(PBS，上海双螺旋生物科技有限公司)，放线菌蛋白酶(美国Sigma公司)。

1.1.2 仪 器

ISO 9001型分析天平(北京赛多利斯天平有限公司)，日立S-4800场发射扫描电镜(日本日立公司)，3365单纤维电子强力仪(理宝商贸(上海)有限公司)，NicoLET 5700智能型傅立叶红外光谱仪(北京尼高力天光科贸有限公司)。

1.2 天然蚕丝的脱胶

本实验采用三种不同质量浓度的Na2CO3溶液进行脱胶至丝胶完全去除。用5 g/L、50 g/L、500 g/L的Na2CO3溶液按1︰20的浴比煮沸30 min，上述脱胶过程反复进行3次，脱胶后丝素用60 ℃以上的去离子水清洗，60 ℃条件下的烘箱里烘干即为脱胶蚕丝。分别命名为5 g/L-silk、50 g/L-silk和500 g/L-silk。

(1)

式中：Wa为脱胶前蚕丝质量，Wb为脱胶后丝素质量。

1.3 天然丝素纤维的降解

1.3.1 天然丝素纤维在PBS溶液中的降解

在众多有关丝素纤维的降解研究中，多数采用PBS溶液作为体外降解实验[6]。本实验选用PBS及放线菌蛋白酶溶液对天然丝素纤维进行降解实验。PBS缓冲溶液的制备：精确称取在110～120 ℃下干燥的磷酸二氢钾13.609g，溶于去离子水中，准确稀释至500mL；将氢氧化钠配成饱和溶液，藏于内敷有石蜡的玻璃瓶中，密闭放置至溶液清亮，然后量取5mL清亮的氢氧化钠饱和溶液，用去离子水稀释至1 000mL，标定调整溶液体积使质量浓度为0.1mol/L。然后准确量取39.34mL氢氧化钠溶液与25mL磷酸二氢钾溶液混合后稀释至100mL制得pH7.4的缓冲溶液。将试样真空干燥48h后称重，在250mL的锥形瓶中加入PBS溶液100mL，将上述制得的方形试样完全浸入其中，每个锥形瓶中浸入1个试样，用胶塞密封，置于(37±1) ℃水浴中进行水解实验。每3d取样进行测试及表征，PBS溶液的体外降解实验持续90d。取出的样品于105 ℃烘干后称重，计算质量残留百分率。

1.3.2 天然丝素纤维在放线菌蛋白酶溶液中的降解

放线菌蛋白酶于37 ℃溶解于0.05M(pH7.4)的磷酸缓冲溶液中，得到5U/mL的放线菌蛋白酶溶液。降解过程中每隔2h取出样品，同时用新配制的酶溶液更换原来的酶溶液，使其他的样品继续降解，酶溶液的体外降解实验持续48h。取出的样品加入50mL蒸馏水浸泡1d，反复清洗，除去无机盐，室温干燥，精确称重，计算质量残留百分率。

1.4 分析测试

1.4.1 纤维形貌观察

采用日本日立S4800型扫描电子显微镜观察纤维形态结构，测试前进行喷金处理，喷金厚度20～30nm。

1.4.2 质量残留百分率测定

将降解前后的天然丝素纤维样品于105 ℃烘干后称重，计算质量残留百分率DWR(dryweightresidualratio)，

(2)

式中：W0为降解前样品绝对干重，W1为降解后样品绝对干重。

1.4.3 力学性能测试

用美国Instron公司3365电子强力仪测定脱胶及降解后天然丝素纤维力学性能测试。根据标准GBT 14337—1993《合成短纤维断裂强力及断裂伸长试验方法》，测试时夹持距离20 mm，拉伸速率10 mm/min，预加张力0.05 cN/dtex，强力与伸长的精度分别为0.01 cN和0.01 mm，每类样品测试根数为20根。

1.4.4 FTIR分析

用美国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)测定纤维分子结构；将样品剪成粉末状，通过KBr压片法制成薄饼状进行红外测试。

2 结果与分析

2.1 脱胶处理对丝素的影响

经过不同质量浓度Na2CO3溶液脱胶后三种蚕丝5 g/L-silk、50 g/L-silk和500 g/L-silk的脱胶率分别为24.8%、25.2%和27.5%。

图1为经过不同质量浓度Na2CO3脱胶后的天然丝素表面形态。从图1可以看出，经过5 g/L Na2CO3脱胶后，蚕丝表面仍有部分丝胶未被去除，随着Na2CO3质量浓度的增至50 g/L时，蚕丝表面变光滑，纤维的平均直径为(14.2±3)μm。当质量浓度增至50 g/L时，纤维出现裂解、分纤状态，纤维的平均直径减小为(9.1±2)μm。当质量浓度增加到500 g/L时，纤维明显发生裂解，在纤维表面可以清晰看到劈裂的微原纤结构，与50 g/L质量浓度处理的纤维相比直径反而有所增加，纤维的平均直径增至(12.3±5) μm。

图1 不同质量浓度脱胶处理后纤维表面形态Fig.1 Surface morphology of fibers after degumming treatment under different mass concentration

2.2 天然丝素纤维降解后形态结构变化

丝素纤维的降解程度与结构、形态特征及催化其降解的酶种类，即切割位点的专一性有关[7]。高分子材料的生物降解并非单一机理，是一个复杂的生物物理、生物化学协调作用，相互促进的过程[8]。

通过 SEM 观察纤维形貌可以直接反映出不同降解时期纤维的变化情况。将经过降解的天然丝素纤维从降解液中取出后用去离子水清洗干净，晾干后观察材料的表面形态。

天然丝素纤维在PBS溶液中降解后的形态结构如图2(a)(b)(c) 所示。低质量浓度Na2CO3脱胶后的丝素纤维降解后其表面基本保持不变，呈现致密而光滑的外观，只是发生溶胀现象，纤维直径变粗。随着质量浓度的增加，丝素纤维在脱胶过程中由于Na2CO3的作用损伤明显，因此纤维抵抗降解液作用的能力降低，纤维纵向开始出现一些沟槽，90 d的降解后，500 g/L的Na2CO3脱胶丝已出现细小的原纤劈裂。

天然丝素纤维在放线菌蛋白酶溶液中降解后的形态结构如图2(d)(e)(f) 所示。与PBS溶液中的降解行为不同，天然丝素纤维在放线菌蛋白酶溶液中的降解更剧烈，经过48 h的降解后，500 g/L-silk纤维主体发生了破坏性的断裂。但50 g/L-silk经过48 h降解后，纤维表面光滑程度明显降低，变得粗糙，但纤维主体仍保持完整，只出现了部分劈裂现象。说明天然丝素纤维在酶溶液的作用下开始部分降解。随着降解时间的持续，天然丝素纤维的某些位置的形貌被严重损坏，这可能是由于在蚕丝形成过程中，存在缺陷点，而当酶对蚕丝降解时，首先进攻蚕丝上的缺陷位置，天然丝素纤维由降解初期的微纤结构的剥离破裂，到降解后期极少部分的溶解。

图2 不同降解时间纤维表面形态Fig.2 Surface morphology of fibers treated under different degradation time

2.3 天然丝素纤维降解过程质量变化

2.3.1 PBS降解后丝素材料质量变化

随着时间的持续，纤维的降解程度不同。利用质量残留百分率的变化表征材料在不同溶液中的降解速度。质量残留百分率大质量损失就快，降解速率就快。将不同材料浸入PBS溶液中进行体外降解实验，降解曲线如图3所示。

经PBS溶液浸渍1 d后，5 g/L-silk的质量损失了0.01%，到第30 d时，累计的质量损失为0.7%，降解60 d时，累计的质量损失为0.9%，降解90 d时，累计的质量损失为1.5%。经过低质量浓度Na2CO3脱胶处理后的纤维表面仍残留部分丝胶，因此在降解液中丝胶的存在会保护丝素受到的破坏小。经过50 g/L-silk经PBS溶液浸渍1 d后质量损失0.4%，到第30 d时，累计的质量损失为4.8%，降解60 d时，累计的质量损失为7.9%，降解90 d时，累计的质量损失为9.8%。这种缓慢的降解速度一方面可以提高材料的强度维持时间，另一方面可以避免短期内大量降解产物的释放，属机械性能很好的生物材料。经过500 g/L-silk降解1 d后质量损失0.8%，到第30 d时，累计的质量损失为10.6%，降解60 d时，累计的质量损失为15%，降解90天时，累计的质量损失为15.3%。天然丝素纤维由于其规整的分子结构和高度的取向性，结构稳定，在一般的降解条件下降解困难[6,9-10]。

图3 纤维在PBS溶液中的降解曲线Fig.3 Degradation curves of silk in PBS solution

2.3.2 放线菌蛋白酶溶液降解后丝素材料质量变化

图4 纤维在放线菌蛋白酶溶液中的降解曲线Fig.4 Degradation curves of silk in actinomycetes protease solution

采用放线菌蛋白酶溶液对丝素材料进行降解实验[9]。比较不同质量浓度脱胶后的丝素材料在酶溶液中的降解情况。将不同材料浸入放线菌蛋白酶溶液中进行体外降解实验，降解曲线如图4所示。经放线菌蛋白酶溶液浸渍1 h后，5 g/L-silk质量损失了0.15%，10 h后，累计的质量损失为0.77%，降解24 h后，累计的质量损失为2.6%，降解30 h后，累计的质量损失为3.7%，降解48 h后，累计的质量损失为5.5%。

经放线菌蛋白酶溶液浸渍1 h后，50 g/L-silk质量损失了0.4%，10 h后，累计的质量损失为3.6%，降解24 h后，累计的质量损失为7%，降解30 h后，累计的质量损失为10.5%，降解48 h后，累计的质量损失为15.4%。

经放线菌蛋白酶溶液浸渍1 h后，500 g/L-silk质量损失了1%，10 h后，累计的质量损失为5.1%，降解24 h后，累计的质量损失为11%，降解30 h后，累计的质量损失为14.8%，降解48 h后，累计的质量损失为24.2%。

2.4 天然丝素纤维降解后力学性能变化

纤维在PBS溶液和放线菌蛋白酶溶液中降解前后的力学变化分别如图5(a)(b)所示。PBS溶液降解过程中选择30、60 d和90 d作为测试纤维力学变化的时间点，由于纤维在PBS溶液中的性质较稳定，三种不同脱胶的纤维表现出相似的降解性，即断裂应力随时间的延长降低不明显。5 g/L-silk在降解90 d后，其断裂应力由未处理前的365.1 MPa只降低到360.5 MPa，降低约1%左右；500 g/L-silk由未处理前的196.2 MPa降低到172.1 MPa，降低约12%左右。

图5 纤维降解前后的力学性能Fig.5 Mechanical property of fibers before and after degradation

在放线菌酶蛋白溶液中纤维受到酶的攻击较明显，24 h后，三种纤维的断裂应力比在PBS溶液中有了显著变化，明显降低。5 g/L脱胶蚕丝的断裂应力由未处理前的365.1 MPa只降低到295.4 MPa，降低约20%左右；500 g/L-silk断裂应力由未处理前的196.2 MPa降低到96.3 MPa，降低约50%左右。实验表明脱胶程度越严重，纤维在降解液中性质越不稳定，降解速度越快。

2.5 酶降解后天然丝素纤维的红外光谱

不同脱胶处理后的天然丝素纤维在放线菌蛋白酶溶液中降解48 h，纤维降解前后的红外光谱图如图6所示。降解前后，蚕丝的特征吸收峰没有发生变化，样品在1 695，1 627(amide I)，1 523(amide II)，1 228 cm-1(amide III)出现吸收峰，归属于β-折叠，属于silk II构象。降解前后天然丝素纤维在酰胺I和酰胺II处的吸收峰较宽，而在酰胺III处的吸收峰较尖锐。

图6 纤维经放线菌蛋白酶溶液降解后的红外光谱图Fig.6 FT-IR spectrograms of fibers after degradation in actinomycetes protease solution

3 结 论

采用5 g/L、50 g/L、500 g/L不同质量浓度Na2CO3溶液对天然蚕丝脱胶，随着Na2CO3溶液质量浓度的增加，纤维由光滑表面变为部分纤维裂解，分纤状态明显。降解过程中纤维的质量残留百分率随着Na2CO3质量浓度的增加而增加。500 g/L-silk在PBS溶液中降解90 d，累计质量损失为15.3%，经放线菌蛋白酶溶液降解48 h后，累计质量损失为24.2%。三种蚕丝表现出不同的降解行为，因此本实验表明通过脱胶过程是可以调控丝素的降解速度。纤维断裂应力随Na2CO3溶液质量浓度的增加逐渐减小，在PBS溶液中500 g/L-silk的断裂应力降低约12%，在酶溶液中降低约50%，说明纤维在酶溶液中的降解相对显著。纤维在降解前后的特征吸收峰基本没有变化。

[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]杨雪霞,劳继红.蚕丝酶精练研究进展[J].丝绸,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]黄训亭,邵正中,陈新.天然蚕丝与丝素蛋白多孔膜的生物降解性研究[J].化学学报,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

江苏省应用基础研究计划项目(BK20141207);苏州市应用基础研究计划项目(SYG201431)

周燕(1974-)，女，副教授，主要从事纺织新材料、生态纺织材料、新型纤维改性技术的研究。

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

TS190.5

A

1001-7003(2015)03-0016-05 引用页码: 031104