再生丝素蛋白膜的制备与应用研究

陈 淼，张奕璇，侯秀良

（1.江南大学生态纺织教育部重点实验室，江苏无锡 2141222；2.江苏出入境检验检疫局纺织工业产品检测中心，江苏无锡 214011）

从闻名世界的丝绸之路开始，丝绸与中国结下了不解之缘。在蚕丝研究方面，中国从种桑、养蚕、缫丝、织造直到成品，已经形成了成熟完善的学科链，相当多的专家学者在这一学科链上潜心研究，目的就是想要传承、发扬好这一传统产业。以往，针对蚕丝的应用研究大多仅仅局限于纺织服装领域。随着人们对蚕丝氨基酸成分、结晶结构和理化性能研究的不断深入，如将蚕丝脱胶后的丝素蛋白经过适当的处理后在食品、化妆品、医药及生物传感器，光学等领域应用。这对发展蚕丝产业具有重要的现实意义。

1 再生丝素蛋白膜的制备

1.1 再生丝素蛋白溶液的配置

陈忠敏教授等尝试将1g丝素纤维溶解于100mL的LiBr/CH3OH/H2O有机无机混合溶液，在60℃的水浴下，转速为200r/min搅拌，最终用了20min完全溶解，得到了黏性透明状的溶液。他们还试着将1g的丝素纤维溶解在质量分数为60%的ZnCl2溶液或是60%的NaSCN溶液中，1h左右可以完全溶解，得到的溶液呈现淡黄色[1]。ZnCl2溶解丝素得到的溶液在透析时会出现白膜——即丝蛋白与Zn2+结合形成的络合物。

将蚕丝在0.5%的NaCO3水溶液中反复煮沸脱去丝胶，干燥，再溶解于9.3mol/L的LiBr溶液中[2]，然后做透析、除杂等处理，得到了分子质量在12 000～14 000之间的匀质丝素蛋白盐溶液。将20g脱胶的丝素纤维溶解于200mL物质的量比为1:2:8的CaCl2/CH3CH2OH/H2O三元溶液中，75℃条件下缓慢搅拌反应2h使其溶解[3]。

此外，考虑到丝素纤维含有的大量分子内和分子间氢键具有较高的结晶度，难溶于一般的试剂中。一些强极性溶剂如：强酸、强碱、高浓度盐溶液、以及有机溶剂可以溶解丝素，但也存在溶解耗时长、有毒有害、得到溶液状态不稳定等缺点。于是人们开始研究用离子液体来溶解丝素，在离子液体中的溶解，丝素分子结构被破坏，部分分子链断裂，导致了分子质量降低，从而溶解。实验探究了桑蚕丝在离子液体中的溶解性能[4]，通过以下反应合成了（AMM）Cl溶液，以及[(MA)MI]MCl溶液，并在其中加入桑蚕丝丝素,90℃油浴条件下施以电动搅拌，其中的丝素主要以非晶态，即无规卷曲的形态存在，（AMM）Cl溶液合成反应以及[(MA)MI]MCl溶液合成反应分别如图1和2所示。

图2 [(MA)MI]MCl溶液合成反应

1.2 再生丝素蛋白溶液铺膜

将匀质丝素蛋白盐溶液倾倒在特定的模具中烘干，最终得到具有水溶性的丝素蛋白膜。可以通过用4层医用纱布过滤除渣，然后将丝素蛋白混合液装入透析袋 (截留分子质量为 8 000Da～12 000Da)，于去离子水中透析96h以除去氯化钙和乙醇，再将所得丝素蛋白溶液浓缩后于恒温干燥箱中干燥，制出匀致透明的丝素蛋白膜[3]。

根据实际应用要求，我们还可以对制得的丝素膜进行一些后续处理，改变丝素膜的物理机械性能。如不溶性处理：利用甲醇或者戊二醛溶液对丝素蛋白进行β化处理[4,5]，得到在水溶液中具有良好稳定性的丝素膜，而且此方法十分经济；利用1-（3-二甲基氨基丙基）-3-乙基碳化二亚胺（EDC）和N-羟基丁二酰亚胺（NHS）对再生丝素纤维进行交联处理[6]，纤维的断裂强度和断裂伸长率有显著提升。

此外，由于单一丝素膜质地较脆，稳定性较差。在实际应用中可以引入其他物质与丝素发生共混或交联，从而获得具有更高强度的更好稳定性的复合膜[7]。丝素膜交联剂选用低级多元醇时，膜的强力、伸长度和透水性会得到显著的提高，若再混入一定的增强材料，得到的复合丝塑模会具有更高的强力。

2 再生丝素蛋白膜的应用

2.1 医疗卫生领域

再生丝素蛋白膜是一种良好的创伤修复材料，由于其优异的力学性能、良好的生物相容性和可控的生物降解性，形态易于塑造，透气性保湿性良好，天然安全无毒，在动物损伤模型实验中，一些丝素敷料修复效果优于临床上应用的创伤敷料[7]。

再生丝素蛋白膜也常作为细胞培养基质。成纤维细胞、软骨细胞、干细胞等各种细胞对丝素蛋白膜有良好的粘附性。此外，丝素蛋白膜的细胞相容性良好，对一些细胞的增殖、生长和分化的不良影响较小[8]。

丝素膜还被用来做药物的载体，其表面积大，与药物有较广的接触面积，还有良好的吸附和缓释功能。实验发现，与其他药物保存方式相比，丝素膜大大延长了疫苗的半衰期，成功打破了抗生素及疫苗低温保存的限制。通过研究利用双膜夹心法将药物包裹在丝素蛋白膜内[9,10]，对目标药物Vc进行缓释，表明以离子液体为溶剂制备的丝素蛋白膜结构致密，分子间隙较小，当pH=2.5时，释药时间在100min，释药率达到最大，效果较传统膜好，扩大了在药物缓释上的应用。

丝素蛋白材料也可应用于骨组织工程领域。丝素蛋白/羟基磷灰石作为人工骨材料具有良好的细胞相容性[11]。此外，有研究小组通过冷冻干燥法和化学交联法，将丝素蛋白与壳聚糖以不同的比例混合，制成具有特定微观结构的复合生物支架材料并对其性能进行研究。结果显示，这种复合材料有利于成骨细胞的生长[12]。

2.2 食品、化妆品领域

为达到食品增香的效果，通过共价交联法可以使β-葡萄糖苷酶与丝素结合，形成丝素酶膜。作用于果汁、葡萄酒、茶中，既有利于实现食品生产过程中酶的回收及充分利用，又改善丰富了食品的口味[13]。在食品保鲜领域，根据使用丝素-壳聚糖复合膜对鲜切苹果的保鲜程度进行研究，发现以0.6%丝素蛋白+1%壳聚糖溶液涂膜保鲜鲜切苹果效果最好，其褐度减少，失重率降低，维持维生素C的含量[14]。

丝素蛋白膜因为良好的生物相容性、透气性和良好的力学性能被广泛应用在化妆品领域。利用六元醇为交联剂与丝素蛋白共混制得水不溶性丝素共混膜作为皮肤的替代品，对化妆品保湿效果进行评价。采用丝素蛋白与丝胶蛋白等为原料制备蚕丝蛋白霜，质地均匀细腻，性质稳定、易于涂膜，保湿性能优良[15-17]。

3 结语

采用LiBr/CH3OH/H2O、CaCl2/CH3CH2OH/H2O，或是配置多种离子液体溶解丝素蛋白，再通过不同的干燥方法铺膜，可以得到具有较高透明度、良好生物相容性、透气性的再生丝素蛋白膜。丝素蛋白在医疗卫生、化妆品、食品等等领域具有广阔的发展前景。发掘丝素蛋白更广阔的应用领域，不仅有利于实现材料的回收，提高蚕丝利用率，有利于创造更多具有优良性能的新材料。相信在中国由“制造大国”向“创造大国”转型的过程中，对于蚕丝应用的探讨绝不应该止步于服装领域，丝素制成的相关材料一定会迎来更宽广的天地。