丝素蛋白纳米纤维静电纺制备的研究

唐培朵，戴俊，韦凌志，黄华林

（1.广西科学院，广西南宁 530003；2.广西科学院应用物理研究所，广西南宁 530003）

丝素蛋白（SF）是一种天然的高纯度蛋白质，可由蚕丝脱胶而成，主要成分包括丙氨酸、乙氨酸、丝氨酸等20余种氨基酸，因此可通过降解最终变为氨基酸或寡肽，直接被机体吸收。SF具备非常好的透氧性和生物降解性，可提升其实际应用的效果[1-2]。静电纺丝技术发展年代久远，但将静电纺丝应用于SF纳米纤维制备却相对较短[3]。SF存在Silk Ⅰ和Silk Ⅱ两种不同的构象，一般认为Silk Ⅰ构象包括无规则线团和α-螺旋，而Silk Ⅱ构象主要由β折叠构象的SF分子链组成，即为反平行β-折叠，这种结构具有良好的稳定性和机械性能，能够满足实际生产的要求。也正是由于天然蚕丝中的SF具有反平行β-折叠结构，难以在一般溶剂中溶解，因此用SF进行静电纺丝，需对SF进行预加工（即对蚕丝蛋白进行脱胶、盐溶解和透析），同时在溶剂的选择方面亦有较多的限制。目前，静电纺丝SF纳米纤维采用的溶剂可分为有机溶剂和水。其主要的制备过程如图1所示。

图1 丝素蛋白（SF）静电纺丝流程图

1 有机溶剂

在SF的静电纺丝制备中，研究较多的是将SF溶于特定有机溶剂后进行静电纺丝，就目前而言，应用较广泛的主要有六氟异丙醇（HFIP）、甲酸（FA）和三氟乙酸（TFA）。选择不同的有机溶剂对静电纺丝制备的SF纤维的直径大小和直径分布有很大的影响。

1.1 六氟异丙醇（HFIP）

徐梅等[4]采用碳酸钠溶液对蓖麻蚕丝纤维进行脱胶，然后将脱胶后的蓖麻蚕丝素溶于硫氰酸锂溶液中，透析，干燥成膜。再把SF膜溶解于HFIP中配制成一定比例的纺丝液，利用静电纺丝法，制成再生蓖麻蚕SF纳米纤维膜。实验可知，制备的纳米纤维膜中纤维表面更加光滑。左保齐等[5]将质量分数80%桑蚕丝素蛋白（SF）和20%柞蚕丝素蛋白（TSF）溶解于HFIP溶液中，保持恒温（25℃）振荡，进行水浴溶解，制得质量分数为10%的纺丝液。通过调节电压和接收距离，制得了直径3～4 μm的SF/TSF复合纤维无纺网。王敏超等[6]将SF与聚己内酯（PCL）按25∶75的质量比为溶于HFIP中，然后配成质量分数为6%的溶液，搅拌12 h，得到透明纺丝液。在电压l5 kV，接收距离12 cm，纺丝流率0.01 mL/min的参数条件下，制备出直径400～600 nm的无规则排列的SF/PCL纳米纤维。结果表明：滚筒转速越大，纳米纤维排列有序程度越高；纳米纤维膜力学性能表现出各向异性，同时具有明显的非线性和非弹性。尹云雷等[7]以HFIP为溶剂，采用静电纺丝制备SF-PCL复合纳米纤维膜。结果表明：在质量分数为6%，SF与PCL质量比3∶2，纺丝流速为1.2 mL/h时，SF-PCL复合纳米纤维膜具有较好的品质。边瑞琦等[8]将SF溶于HFIP中，配成98.4 g/L的溶液，并加入一定量的Genipin对SF进行交联改性，交联时间为10 h，交联温度为40 ℃，搅拌配制成混合纺丝液，然后通过静电纺丝制备交联的SF纳米纤维膜。结果表明，Genipin交联对结晶结构影响不大，但热性能提高；Genipin质量比增加，交联度增加，纳米纤维平均直径增大，纤维膜的力学性能逐渐增强，质量比10%时，拉伸强度和断裂应变分别为19.6 MPa和5.9%；随着试验温度从40 ℃升高到200 ℃，SF纳米纤维膜的拉伸强度和断裂应变先增大然后减小，当温度为80 ℃时，其力学性能较好，拉伸强度和断裂应变分别为41.6 MPa和8.6%。

1.2 甲酸（FA）

由于HFIP的价格较为昂贵，而FA作为SF静电纺丝的溶剂不仅价格便宜并能满足实际的需要，还具有良好的挥发性能，有利于纳米纤维的形成，因此得到了广泛的应用。

张幼珠等[9]以88%（wt）FA为溶剂，对SF冷冻膜、室温干燥膜等进行了深入的研究，并对形貌结构、结晶结构和构象进行了测定分析。结果表明：两种SF膜均能溶于FA，形成浓度为11%～13%（wt）透明稳定的纺丝液，可以纺得连续的纳米级纤维，形成网状无纺布纤维膜，纤维直径为200 nm左右。黄建等[10]以无水FA为溶剂，在室温下，配制了l8%～24%不同纺丝液，在0.9 mm喷丝口直径下，静电纺丝制备了纤维膜，结果表明，纺丝液质量分数和电压会影响到静电纺丝的性能。经过乙醇处理后，纤维膜的结构由无规卷曲向β-折叠构象转变，保证纤维膜良好的透湿性，实现377 g/m2·h。陈梅等[11]以98% FA为溶剂，采用静电纺丝制备SF与透明质酸（HA）共混纳米纤维，结果表明：SF与低分子量HA共混纳米纤维直径在100 nm左右，纤维表面光滑，呈圆柱状；高分子量HA的加入使得纤维形态变差，并出现严重的粘连现象；透明质酸的加入未对丝素分子构象和结晶结构产生明显影响。

1.3 三氟乙酸（TFA）

周伟涛等[12]在室温下将SF膜溶解在TFA中，充分搅拌得到16%纺丝液。在电压为15 kV，纺丝速度0.3 mL/h，喷丝口径为0.7 mm，接收距离为100 mm的参数下，进行静电纺丝。得到纯SF纤维连续，横截面近似圆形，表面光滑，平均纤维直径为353.1 nm，且纤维间很少有黏连，分布相对集中。马瑞丽等[13]根据前人的研究情况，把SF膜溶解于TFA中配制成质量分数为16%的纺丝液，进行静电纺丝，制备了SF纳米纤维膜。对纺好的纤维膜进行了乙醇后处理，从而促进β折叠转变，分析了纳米纤维形貌特征、力学性能。结果表明，经过乙醇处理后纤维直径会增大，分子结构以β折叠为主，使SF卷曲的肽链伸展，有效提升结晶度，相应的增加断裂强度。最后分析可知，乙醇还具有脱水作用，增加相应的初始模量，从根本上改善了力学性能、热稳定性。

2 纺丝溶剂——水

相比于HFIP和FA等有机溶剂，以水作为溶剂制备SF纳米纤维更符合生物医用材料的加工，更有利于细胞的生长、黏附和增殖，没有有机残留，并防止了环境污染，是一种绿色电纺技术。然而SF水溶液黏度较低，水分挥发较难，因此难以进行静电纺丝。为能成功从SF水溶液中制得SF纳米纤维，学者进行了一系列的研究。

家蚕吐丝过程中，是以水为介质，且为浓度高的纺丝液，并通过细小的纺丝管，进入空气后固化成丝，是一个常温常压下以水为溶剂制得了高性能纤维的过程。王洪等[14]通过观察蚕腺体内和SF水溶液的流动状态和各向异性现象，通过SEM和拉曼光谱分析了SF水溶液在蚕腺体内的形态和构象变化，作者认为SF水溶液在蚕腺体内存在一个逐步熟成的过程。随着其在腺体内的前移，丝素球状物逐渐溶合，丝素分子的α构象逐渐减少，沿移动方向取向而呈有序态，蚕中部丝腺前段内的SF分子在挤出前已经形成一定量的β折叠构象，因此蚕吐丝时在剪切力和拉伸力的作用下很快可使部分丝素分子形成β折叠构象，最终成为黏度非常大的各向异性的凝胶体进而形成丝纤维，而SF水溶液是黏度非常低的各向同性溶液。这些差异表明，SF水溶液在蚕腺体内的熟成过程是蚕能够吐出优良蚕丝的关键步骤，要想制备出高性能的纤维，在“仿生纺丝”之前，首先要“仿生制备纺丝液”。朱晶心等[15]进一步在仿生制备的SF水溶液的静电纺丝进行了一系列研究，分别从pH值、金属离子及工艺参数等角度考察对SF静电纺丝的影响。模仿蚕在空气中吐丝时的溶液浓度高达30%，后部丝腺的pH值为6.9的条件下，在低温无剪切的温和条件下制备出再SF水溶液，利用静电纺丝技术纺出的SF纤维直径在350～4200 nm，平均直径1700 nm。

3 结语

在纳米纤维材料制备工艺方法中，静电纺丝制备方法比较简单，能够创造更多的经济利润。近年来，通过静电纺丝将SF加工成三维纳米纤维支架材料成为了研究热点。尽管SF纳米纤维在生物医学领域的应用研究上已经取得一定成果，但临床应用仍面临许多问题，大部分还处在实验阶段。但就目前而言，SF主要利用静电纺丝技术加工成微纳米纤维网、导管等材料，并且研究人员对这些材料的性能进行了全面的分析和研究，推动了当前静电纺丝技术的进步和医学生物技术的良性发展。