静电纺玉米醇溶蛋白微纳米纤维的性能与形貌调控

贺梦玲, 李 想, 林金友, 曾泳春

(1.东华大学 纺织学院, 上海201620;2.中国科学院 上海应用物理研究所, 上海 201204)

静电纺玉米醇溶蛋白微纳米纤维的性能与形貌调控

贺梦玲1, 李 想1, 林金友2, 曾泳春1

(1.东华大学 纺织学院, 上海201620;2.中国科学院 上海应用物理研究所, 上海 201204)

玉米醇溶蛋白(zein)是一种具有良好的成膜性、生物降解性和生物相容性的天然蛋白质.以乙醇与水的混合溶液作为溶剂, 通过静电纺丝技术制备玉米醇溶蛋白微纳米纤维, 研究溶剂组成比例对纤维形貌结构与性能的影响规律.试验结果表明: 当溶剂中乙醇与水的质量比为6∶4时, 纤维呈圆形且表面有褶皱, 当乙醇与水的质量比大于6∶4时, 纤维呈带状且表面较光滑；纤维的宽度随着乙醇质量比例的增大而增大；溶剂组成比例对纤维的表面润湿性与力学性能都有影响.研究结果为玉米醇溶蛋白纤维的应用奠定基础.

玉米醇溶蛋白；静电纺丝；乙醇；形貌结构

玉米醇溶蛋白(zein)是玉米种子中可以溶于乙醇的一种天然蛋白质, 其具有良好的成膜性、生物可降解性和生物相容性, 目前已应用于药品外衣等方面[1].由于zein主要是由非极性氨基酸组成, 其分子中不仅有大量的疏水性氨基酸以及较多的含硫氨基酸, 同时还缺乏能带电的酸性、碱性和极性基团的氨基酸, 因此其在水中无法溶解.但是, zein可以溶解在具有一定pH值的溶液中, 其中, 乙醇水溶液(60%～95%)是最常见的zein溶剂[2-3].

静电纺丝技术在近年来的发展中受到广泛关注, 是一种简单而有效地制备微纳米级纤维的纺丝技术[4].20世纪90年代末, 文献[5]研究了干法纺丝生产zein交联纤维.在此基础上, 采用静电纺丝法制备zein纤维的研究也逐渐增多.文献[6]研究了将质量分数18%～25%的zein溶解在80%的乙醇溶液中, 制备得到了直径为700 nm左右的带状纤维.文献[7]详细研究了不同溶剂对静电纺zein纤维形貌与结构的影响, 包括乙醇、吲哚丙酸(IPA)、乙酸、二甲基甲酰胺(DMF)及氢氧化钠等，其中, 以乙醇水溶液为溶剂的静电纺zein纤维主要以缎带为主, 以乙酸溶液为溶剂的静电纺zein纤维主要为直径分布较窄的圆形纤维, 以DMF、丙酮/水、乙酸/水和10%的NaOH水溶液分别作为溶剂制备的纺丝液可纺性均较差.

通过静电纺丝技术制备的zein微纳米纤维膜不仅具有玉米醇溶蛋白自身的优良性能, 还具有纤维的直径小、比表面积大、孔隙率大等优点, 在生物医用领域具有巨大的潜力.虽然这种材料有诸多优点, 但其力学性能和亲水性能的不足, 使其无法达到实际应用的需求[6-8].乙醇与水混合溶液广泛应用于zein纺丝液的制备中, 而乙醇与水的比例是影响zein微纳米纤维的形貌结构与性能的因素之一.目前的研究并未系统地分析和解释溶剂组成比例对zein微纳米纤维的形貌结构和性能影响的规律及原因.

本文以乙醇与水混合溶液为溶剂, 通过静电纺丝技术制备zein微纳米纤维, 探究溶剂组成比例与zein微纳米纤维形貌结构、表面润湿性、力学性能之间的关系, 并对造成其差异的原因进行分析研究, 为zein微纳米纤维的应用奠定基础.

1 试 验

1.1 试验材料

玉米醇溶蛋白(zein, 美国Sigmo-Alorich公司)；乙醇(EtOH, 体积分数≥99.7%, 中国常熟市杨园化工有限公司)；去离子水.

1.2 zein微纳米纤维的制备

称取适量的zein粉末, 以乙醇与水的混合溶液作为溶剂, 溶剂配比(乙醇与水的质量比)分别为5∶5、 6∶4、7∶3、8∶2和9∶1, 配制zein质量分数为25%的纺丝溶液.在常温下使用X85-2S型磁力搅拌器搅拌2 h至zein粉末完全溶解.其中, 当溶剂配比为5∶5时, zein粉末无法完全溶解.

将完全溶解后的zein纺丝溶液抽入规格为10 mL的一次性注射器中, 所用针头内径为0.51 mm, 在纺丝过程中使用微量注射泵控制进样速率.针头到接收滚筒的距离为15 cm, 在直流高压静电发生器输出的25 kV电压下进行纺丝, 纺丝速率为2 mL/h.静电纺丝的装置为自行组装(如图1所示), 以旋转滚筒作为收集基板, 采用多针头沿平行滚筒轴向来回移动.这种装置可以提高纺丝生产率, 并收集到排列较好的纤维网.

图1 静电纺丝装置简图Fig.1 Schematic of electrospun system

1.3 材料表征

溶液性质: 采用NDJ型系列数显黏度计测试纺丝液的黏度, QBZY-2型全自动表面张力仪测试纺丝液表面张力, Extech EC500型导电率仪测试纺丝液的电导率, 表征纺丝溶液的性质.

纤维形貌: 采用S4800型场发射电子显微镜观察纤维的形貌, 然后应用ImageJ软件随机测取每个样品扫描电子显微镜(SEM)图中100根纤维的宽度, 计算纤维宽度的平均值.

傅里叶变换红外光谱分析测试: 使用Nicolet 6700型红外光谱仪测试样品, 波数为600～4 000 cm-1.

润湿性测试: 采用OCA15EC型光学接触角测量仪测定zein纤维膜的静态接触角.量角法测定接触角, 多次测量取平均值, 用静态接触角的角度表征纤网的表面疏水性.

力学性能测试: 将zein纤维膜裁剪为5 mm×30 mm的样条, 使用XQ-1型纱线纤维强伸度仪进行拉伸测试, 试样的夹持长度为10 mm, 拉伸速度为10 mm/min.每个试样均测试5次.

2 结果与分析

2.1 纺丝溶液的性质

经不同溶剂配比得到的纺丝液的性质如表1所示.由表1可知, zein纺丝液的黏度随着混合溶剂中乙醇质量比例的增加而增大, 而其表面张力和电导率都随着混合溶剂中乙醇质量比例的增加而减小.这是因为在常温下, 乙醇的黏度大于水, 而表面张力和电导率小于水.

表1 不同溶剂配比下zein纺丝液的性质

2.2 zein微纳米纤维的形貌

不同溶剂配比所制备的zein微纳米纤维的扫描电子显微镜图如图2所示.由图2可知: 当m(EtOH)∶m(water)=6∶4 时, 纤维呈圆形, 表面有褶皱, 具有纵向的沟槽和凸起的棱；当m(EtOH)∶m(water)=7∶3, 8∶2, 9∶1时, 纤维呈带状, 表面较光滑, 部分纤维纵向有少量凸起的棱, 且随着混合溶剂中乙醇质量比例的增大, 纤维表面愈平整.

图2 不同溶剂配比下制备zein微纳米纤维的SEM图Fig.2 SEM images of the electrospun zein micro-nanofibers prepared from different solvent compositions

在静电纺丝的成纤过程中, 当射流形成以后, 在电场中会受电场力作用而被高速拉伸，同时, 溶液开始挥发, 射流发生相分离而最终固化形成纤维[4].在这个过程中, 溶液的挥发性对纤维形貌有着至关重要的作用.zein纺丝液在高静电压作用下形成射流后, 与周围的空气接触, 表层的溶剂挥发后, 射流表面迅速形成一层聚合物表皮, 当表皮层干燥到某种程度时, 表皮层的大小会固定下来, 射流就形成具有聚合物表皮层包裹着纺丝溶液的管状结构, 同时内层溶液中的溶剂由于浓度梯度差, 会由中心向表皮层扩散.纤维的最终形貌就由表面溶剂的挥发速度和内层溶剂的扩散速度决定[9-12].当静电纺丝溶液的溶剂配比m(EtOH)∶m(water)=6∶4时, 纤维呈圆形且表面有褶皱.由此可推测, 这种情况下表面溶剂的挥发速度小于内层溶剂的扩散速度, 内层溶剂向外扩散速度较快, 表皮层内体积迅速减小, 导致表皮层产生了纵向变形, 皱缩后表面就形成了纵向的沟槽和凸起的棱.当静电纺丝溶液的溶剂配比m(EtOH)∶m(water)>6∶4时, 纤维表面较光滑且呈带状.乙醇的挥发速度大于水, 因此这种情况下溶剂的挥发速度大于溶剂配比m(EtOH)∶m(water)=6∶4时的情况.由此可推测, 在这种情况下表面溶剂的挥发速度大于内层溶剂的扩散速度, 随着表面溶剂的挥发, 表皮层内体积逐渐减小, 内含纺丝溶液的管状结构逐渐坍塌, 射流圆形的界面逐渐变成椭圆形, 最后形成带状纤维.因此, 不同溶剂质量配比所形成的纤维形貌结构有巨大的差异.2种表面形貌的zein微纳米纤维的成形机理示意图如图3所示.

图3 静电纺zein微纳米纤维的成形机理示意图Fig.3 Schematic illustration of zein micro-nanofibers formation in electrospinning

2.3 zein纤维的宽度分布

采用ImageJ软件随机测取每个样品电镜图中100根纤维的宽度, 不同溶剂质量配比所制备的纤维平均宽度和纤维宽度分布如图4所示.由图4可知, 当溶剂配比m(EtOH)∶m(water)=6∶4时, 纤维的平均宽度为0.96 μm, 宽度分布较集中, 随着乙醇与水质量比的增大, 纤维的平均宽度呈增长趋势, 宽度分布也变宽.

图4 不同溶剂配比制备的zein微纳米纤维宽度分布图Fig.4 Width distribution of the electrospun zein micro- nanofibers prepared from different solvent compositions

纤维的宽度分布与溶液的性质有密切的联系.当溶剂配比m(EtOH)∶m(water)=6∶4时, 纤维宽度远小于其他3种情况, 随着乙醇质量比例的增大, 纤维的平均宽度增加.由表1中纺丝液的性质可知, 随着乙醇质量比例的增加, 纺丝溶液黏度增加, 表面张力下降, 电导率也相应下降.溶液的表面张力是作用于液体表面并试图使液体表面收缩成最小面积的力, 在静电纺丝过程中, 聚合物溶液在电场中受到的电场力大于表面张力, 纺丝过程才能进行.表面张力倾向于使射流变成球形纤维, 随着溶液表面张力的降低, 有利于形成连续均匀的纤维[13-14].纺丝液的黏度有利于静电纺丝过程中连续纤维的形成, 并且射流直径随着黏度增大而增大.与此同时, zein溶液的电导率直接影响纤维的形态, 高电导率的纺丝液形成的射流电荷密度高, 射流受到较大电场力产生更强的拉伸作用[15], 射流的直径随之变小.因此, 随着静电纺丝液中乙醇质量比例的增大, 所形成的射流直径变大, 进而形成纤维的宽度也呈增加趋势.

2.4 红外光谱分析

zein粉末、zein溶液浇铸膜(ZCF)和不同溶剂配比制备的静电纺zein微纳米纤维(ZEF)的红外光谱如图5所示.由图5可知, 1 600～1 800 cm-1处为酰胺基团特征峰, 称为酰胺Ⅰ带.一般情况下, 酰胺Ⅰ带的形成是由于C=O的伸缩及振动, 当氢键结合方式与分子形状不同时, 酰胺Ⅰ带在红外图谱中的表征也不同[16].由图5可知, zein粉末、ZCF和ZEF的酰胺Ⅰ带中的波峰均在1 652 cm-1处, 是α-螺旋的相关信号, 另外一主要吸收特征峰出现在3 280 cm-1(N-H键拉伸)处.这3种状态(粉末、浇铸膜、纤维)下红外图谱的波峰强度虽有所不同, 但出现的位置一致, 说明zein溶解在乙醇与水的混合溶液中, 并不会改变其分子结构及氢键结合方式, 通过静电纺丝技术得到的纤维也与zein粉末持有一致的官能团特征.另外, 不同溶剂质量配比所得纤维的红外图谱完全一致, 说明溶剂中乙醇与水的配比对静电纺zein微纳米纤维的官能团结构不会造成影响.

图5 zein粉末、 zein浇铸膜和静电纺zein微纳米纤维的红外图谱Fig.5 ATR-FTIR spectra of zein powder, zein cast film and zein electrospun micro-nanofibers

2.5 润湿性能分析

纤维表面的润湿性能由水与纤维膜间的静态接触角来表征, 3次测量后计算其平均值与变异系数. 不同溶剂配比所制备zein纤维膜的静态水接触角测量结果如图6所示.由图6可知: 静电纺zein微纳米纤维膜的接触角均大于90°, 具有疏水性；当溶剂配比m(EtOH)∶m(water)=6∶4时, zein微纳米纤维膜的平均水接触角最小, 随着溶剂中乙醇质量比例的增大, 平均水接触角增大.根据纤维的不同形貌特征判断, 带状纤维形成的纤网比圆形纤维形成纤网的孔隙小, 对水有更大的阻隔作用, 这种现象随着纤维宽度的加大而更加明显.因此, 随着纤维宽度的增加, 纤维膜的接触角呈增大趋势.

图6 不同溶剂配比制备的静电纺zein纤维膜的静态水接触角Fig.6 Water contact angle of zein electrospun films prepared from different solvent compositions

2.6 力学性能分析

纤维的力学性能由纤维膜的拉伸性能来表征, 使用纱线纤维强伸度仪对纤维膜进行拉伸测试.不同溶剂质量配比制备纤维膜的平均断裂强度和断裂伸长率如表2所示, 各取最接近平均值的单次测量应力-应变曲线如图7所示.

表2 不同溶剂配比制备静电纺zein纤维膜的力学性能

图7 不同溶剂配比制备的静电纺zein纤维膜的应力-应变曲线图Fig.7 Stress-stain curves of zein electrospun films prepared from different solvent compositions

由表2可知, 静电纺zein纤维膜的断裂强度随着乙醇与水的质量比的增加先增大后减小, 当溶剂配比m(EtOH)∶m(water)=8∶2时, 纤维膜的断裂强度达到了最大值为167.49 kPa.同时, 纤维膜的断裂伸长率随着乙醇与水质量比的增加也呈增大趋势.由图7可以看出: 在初始拉伸阶段, 试样所受应力与应变呈线性关系, 纤维膜发生弹性形变(OA段), 试样表现为纤维伸直变形, 并沿拉伸方向伸长, 纤维膜变薄但密度增大；随后, 试样产生屈服(A点附近), 即试样承受的应力超过弹性极限.在经过屈服点之后, 应力的增加不明显或者不变, 而应变不断增加, 试样表现为纤维逐渐靠拢, 纤维膜产生横向收缩, 呈束腰现象(AB段), 在这个阶段, 试样将达到能承受的最大应力点(B点)；继续拉伸, 纤维产生滑脱现象, 部分纤维达到断裂伸长, 并开始逐根断裂, 直至纤维膜结构解体, 试样断裂(BC段).

zein是由不同的多肽组成, 主要成分为α-zein与β-zein.α-zein约占玉米中总蛋白的80%, 可溶于60%～95%的乙醇溶液；β-zein占zein的10%, 能溶于60%的乙醇但不溶于95%的乙醇, 该蛋白相对不稳定, 可发生沉淀或凝胶[17].可推测, 当溶剂中乙醇质量比例较低的时候, zein中的氨基酸没有充分溶解, zein分子链无法完全展开, 使分子链间的连接较弱, 导致纤维膜的强度较低；随着乙醇质量比例的增加, zein中醇溶分子链完全展开, 相互缠结, 提高了网状结构的完整性, 纤维膜的强度增强.当乙醇质量比例较高时, β-zein反而无法完全溶解, 阻碍了zein分子链间的相互作用, 造成了纤维膜力学性能的降低.

3 结 论

(1) 以乙醇与水混合溶液(乙醇质量分数为60%～90%)作为玉米醇溶蛋白静电纺丝液的溶剂, 可以得到连续均匀的微纳米纤维.当混合溶剂中乙醇与水的质量比为6∶4时, 纤维呈圆形且表面有褶皱；当混合溶剂中乙醇与水的质量比大于6∶4时, 纤维呈带状且表面较光滑.纤维的宽度随着乙醇质量比例的增大而增大.

(2) 以乙醇与水混合溶液作为玉米醇溶蛋白静电纺丝液的溶剂, 并不会改变玉米醇溶蛋白分子的结构及氢键结合方式, 通过静电纺丝制备的纤维也与玉米醇溶蛋白粉末保持一致的官能团特征.

(3) 静电纺玉米醇溶蛋白微纳米纤维膜具有疏水性.当混合溶剂中乙醇与水的质量比为6∶4时, 平均水接触角最小为128.87°, 并且随着溶剂中乙醇质量比例的增加, 水接触角呈增加趋势；玉米醇溶蛋白微纳米纤维的强度不佳, 当乙醇与水的质量比为8∶2时, 纤维的断裂强度达到最大值为164.49 kPa, 平均断裂伸长率为37.25%, 纤维的断裂强度随着乙醇与水的质量比例的增加呈现先增大后减小的趋势.

[1] RAO S L. Development of novel zein-cellulose nanocomposite Films[D]. New Jersey: Rutgers University, 2013.

[2] SHI K, KOKINI J L, HUANG Q. Engineering zein films with controlled surface morphology and hydrophilicity[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2009, 57(6): 2186-2192.

[3] SELLING G W, HAMAKER S A H, SESSA D J. Effect of solvent and temperature on secondary and tertiary structure of zein by circular dichroism[J]. Cereal Chemistry, 2007, 84(3): 265-270.

[4] 丁彬, 俞建勇.静电纺丝与纳米纤维[M]. 北京: 中国纺织出版社, 2011.

[5] UY W C. Dry spinning process for producing zein fibers: US Patent 5750064[P]. 1998-05-12.

[6] MIYOSHI T, TOYOHARA K, MINEMATSU H. Preparation of ultrafine fibrous zein membranes via electrospinning[J]. Polymer International, 2005, 54(8): 1187-1190.

[7] SELLING G W, BISWAS A, PATEL A, et al. Impact of solvent on electrospinning of zein and analysis of resulting fibers[J]. Macromolecular Chemistry and Physics, 2007, 208(9): 1002-1010.

[8] YAO C, LI X, SONG T. Electrospinning and crosslinking of zein nanofiber mats[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2007, 103(1): 380-385.

[9] BOGNITZKI M, CZADO W, FRESE T, et al. Nanostructured fibers via electrospinning[J]. Advanced Materials, 2001, 13(1): 70-72.

[10] GUENTHNER A J, KHOMBHONGSE S, LIU W, et al. Dynamics of hollow nanofiber formation during solidification subjected to solvent evaporation[J]. Macromolecular Theory and Simulations, 2006, 15(1): 87-93.

[11] KOSKI A, YIM K, SHIVKUMAR S. Effect of molecular weight on fibrous PVA produced by electrospinning[J]. Materials Letters, 2004, 58(3): 493-497.

[12] KOOMBHONGSE S, LIU W, RENEKER D H. Flat polymer ribbons and other shapes by electrospinning[J]. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, 2001, 39(21): 2598-2606.

[13] FUJIHARA K, TEO W E, LIM T C, et al. An introduction to electrospinning and nanofibers[M]. Singapore: World Scientific, 2005.

[14] LI D, XIA Y. Electrospinning of nanofibers: Reinventing the wheel[J]. Advanced Materials, 2004, 16(14): 1151-1170.

[15] BAUMGARTEN P K. Electrostatic spinning of acrylic microfibers[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 1971, 36(1): 71-79.

[16] TORRES-GINER S, GIMENEZ E, LAGARON J M. Characterization of the morphology and thermal properties of zein prolamine nanostructures obtained by electrospinning[J]. Food Hydrocolloids, 2008, 22(4): 601-614.

[17] PARAMAN I, LAMSAL B P. Recovery and characterization of α-zein from corn fermentation coproducts[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2011, 59(7): 3071-3077.

(责任编辑: 徐惠华)

Characterization of Morphology and Properties of Electrospun Zein Micro/nanofibers

HEMengling1,LIXiang1,LINJinyou2,ZENGYongchun1

(1. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China;2. Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201204, China)

Zein is a kind of natural protein with excellent properties, such as film-forming, biodegradability and biocompatibility. The binary mixture of ethanol and water was chosen as the solvent for electrospinning to prepare zein micro-nanofibers. The composition ratio of solvent is changed to explore its effect on fiber morphology and properties. The results indicate that zein solution in ethanol/water (the mass ratio is 6∶4) yields the zein fibers with circular and plicated morphology, while the zein fibers with a smooth and ribbon-like morphology could be observed when the mass ratio of ethanol to water is greater than 6∶4. The surface wettability and mechanical properties of electrospun zein micro-nanofiber mats are also influenced by the composition ratio of mixed solvents. This study tries to lay a foundation for the application of zein micro-nanofibers.

zein; electrospun; ethanol; morphology

1671-0444 (2017)03-0316-06

2016-06-07

国家自然科学基金资助项目(11672073, 51303200, U1432115)

贺梦玲(1992—)，女，湖北十堰人，硕士研究生，研究方向为静电纺丝技术. E-mail：mengling_he@163.com 曾泳春(联系人)，女，教授，E-mail：yongchun@dhu.edu.cn

TQ 341.5

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