角蛋白/丝素多孔复合材料的制备及其结构性能研究*

2021-07-14杨旭红

现代丝绸科学与技术 2021年2期

张旭，杨旭红,2

(1.苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州 215021；2.南通纺织丝绸产业技术研究院，江苏南通 226321)

家禽羽毛中大约有90%是角蛋白，是产量丰富、易于获取的天然蛋白质资源。全世界每年产生的羽毛废弃物约为136 万t，通常被当作垃圾焚烧或填埋[1]。这不仅是对蛋白质资源的浪费，还会滋生细菌、污染环境，危害人类健康。因此，对废弃羽毛合理开发利用，提高羽毛角蛋白附加值显得尤为重要，已成为研究热点。

角蛋白作为一种高附加值、环境相容的物质，可应用于生物医用[2]、吸附剂[3]、织物功能性整理[4]等领域。但是，角蛋白在应用过程中常受到力学性能较差等问题的制约，常与其他材料共混制备复合材料。钱迅南等人[5]将角蛋白溶液与纤维素纳米微晶混合通过浇铸法制备染料吸附膜。Wang等人[6]将从人头发中提取的角蛋白与聚氨酯共混静电纺丝，并在原位制备银纳米粒子，得到的复合纳米纤维膜用于伤口敷料领域。Saucedo-Rivalcoba等人[7]采用浇铸法将合成的聚氨酯与还原法提取的羽毛角蛋白溶液混合制备角蛋白/聚氨酯共混膜。Katoh等人[8]以饱和硫酸钠溶液为凝固浴，采用湿法纺丝技术制备了角蛋白/PVA共混纤维，并用于甲醛的吸附。Gore等人[9]以CaCl2为交联剂，将羊毛角蛋白和尼龙6溶解在甲酸溶液中制备内部具有微孔结构的角蛋白/尼龙6微球。

丝素溶液经冷冻干燥后具有较强的力学性能，且丝素本身就是一种蛋白质，具有生物相容性和生物可降解性，与角蛋白复合不仅能大大提高材料的力学性能，还可以进一步拓宽角蛋白在组织工程和吸附剂等领域的应用。Tu等人[10]以丙三醇为增塑剂，将角蛋白和丝素溶液共混制备性能可调的生物相容性角蛋白/丝素共混膜。研究发现，角蛋白与丝素溶液的混合比例对复合膜的力学性能有较大影响。

本研究将低共熔溶剂法提取的非水溶性角蛋白(FK)与丝素(SF)溶液混合，以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为凝胶剂，采用冷冻干燥技术制备FK/SF多孔复合材料。对材料进行了扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、热重法(TGA)、差示扫描量热法(DSC)等系列表征，探究FK/SF多孔复合材料的形貌结构、分子结构、结晶结构、密度孔隙率、力学性能、热稳定性。

1 实验部分

1.1 实验材料

羽毛来源于苏州农贸市场。家蚕生丝由南通市春秋丝绸有限公司提供。角蛋白透析袋购自苏州苏科精益仪器有限公司，理论截留分子量为1 kDa。丝素透析袋购自上海源叶生物科技有限公司，理论截留分子量为8 kDa。氯化胆碱(ChCl)和草酸(OA)为分析纯级试剂，分别购自上海市麦克林生化科技有限公司和泰坦科技股份有限公司。十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)购于国药集团化学试剂有限公司。24孔细胞培养板购自南通市苏品实验器材有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 角蛋白提取

将ChCl和OA以摩尔比1∶2混合，放置在恒温水浴振荡器中，在75 ℃的条件下加热振荡30 min，得到无色透明的溶液——低共熔溶剂(DES)。将10 g剪碎的鸡毛加入装有200 g DES的锥形瓶并完全浸没于DES中，于80 ℃溶解6 h。反应结束后用滤布过滤出未溶解的鸡毛残渣，将滤液倒入截留分子量1 kDa的透析带中，透析4 d，每天换水5次。透析完成后，将溶液静置，取底部不溶于水的角蛋白，配制成质量分数为2.5%的悬浊液。

1.2.2 丝素溶液制备

称取3 g碳酸钠加入6 L去离子水中煮沸后，将150 g生丝加入沸水中煮30 min后，取出，用去离子水冲洗干净，重复上述操作3遍。将脱胶后的蚕丝在60 ℃的烘箱中烘干，密封备用。量取100 mL浓度为9.3 mol/L的溴化锂溶液，称取脱胶蚕丝15 g倒入其中并完全浸渍，在50 ℃和转速150 r/min的条件下溶解30 min。将溶解的丝素倒入截留分子量为8 kD的透析袋中，透析3 d，每天换水5次。待透析完成后用纱布过滤，放入60 ℃烘箱中浓缩至所需浓度，取出放入4 ℃的冰箱中冷藏备用。

1.2.3 FK/SF多孔复合材料制备

将角蛋白悬浊液与不同质量分数(5%～9%)的丝素溶液按照质量比为3∶2的比例混合，放入磁力搅拌器上以300 r/min的转速搅拌4 h，配制质量分数为4%的CTAB溶液，在混合体系中加入角蛋白和丝素混合溶液总质量10%的CTAB溶液作为凝胶剂，每次用移液枪取2.5 mL到24孔细胞培养板中，取样完成后将24孔板迅速放入超低温冰箱中冷冻24 h，然后放入冷冻干燥机中，在-50 ℃和真空度<10 Pa的条件下干燥48 h，获得FK/SF多孔复合材料。

1.3 测试与表征

1.3.1 形貌特征

利用TM3030扫描电子显微镜(日本日立高新技术有限公司)在加速电压为3 kV的条件下观察FK/SF多孔复合材料的表面形貌。测试前用导电胶将试样固定在测试台上，并喷金90 s。

1.3.2 傅立叶变换红外光谱

在Nicolet 5700傅立叶红外光谱仪(美国赛默飞世尔科技公司)上用溴化钾压片法测试样品的红外光谱，扫描波长范围为500～4 000 cm-1，扫描次数为16次。

1.3.3 X射线衍射光谱

将适量粉末状样品加到样品台上，将样品表面压平后放入D8 Advance X射线衍射仪(德国布鲁克公司)，扫描角度范围2θ=5°～50°，步长为0.02°，扫描速度为0.5 (°)/min。

1.3.4 热重分析和差示扫描量热法

将适量粉末加入坩埚中置于SDT Q600热分析仪(美国TA公司)中，温度范围为25～600 ℃，升温速率为10 ℃/min，氮气流速为20 mL/min。

1.3.5 密度和孔隙率测定

本文采用液体置换法测量FK/SF多孔复合材料的密度和孔隙率，以无水乙醇作为替代液体[11]。在温度为30 ℃条件下，将质量为M0的样品浸渍在装有V0体积乙醇的量筒中，在真空干燥箱中抽真空排除多孔材料内部气泡使其充分浸渍，记录体积V1。将多孔材料从量筒中取出，记录此时量筒内乙醇体积V2。(V1-V0)和(V0-V2)分别为FK/SF多孔复合材料的骨架和孔的体积。因此，FK/SF多孔复合材料总体积=(V1-V0)+(V0-V2)=V1-V2。FK/SF多孔复合材料密度(d)计算见式(1)，孔隙率(P)计算见式(2)。

(1)

(2)

式(1)、(2)中：M0——样品质量，mg；

V0——样品投入前乙醇体积，mL；

V1——样品浸渍后乙醇体积，mL；

V2——样品取出后乙醇体积，mL。

1.3.6 力学性能测试

将高度为10 mm的测试样品放在INSTRON-3365万能力学材料试验机(美国英斯特朗公司)上测试，测试参数设定为压缩速度6 mm/min，压缩距离为6 mm。

2 结果与讨论

2.1 形貌结构

图1显示的是在SF=7%、CTAB=4%、冷冻温度-40 ℃条件下冷冻干燥制备的FK/SF多孔复合材料的形貌结构特征。从图1可以看出，FK/SF多孔复合材料具有良好的多孔性，孔隙相互连通，具有较高的孔隙率和较大的比表面积，拓宽了材料在吸附、组织工程等方面的应用。匀质的表面孔隙形态说明在CTAB快速凝胶的作用下，角蛋白和丝素形成了分布均匀的混合结构。

(a)放大200倍

2.2 分子结构

图2显示的是角蛋白、丝素及其多孔复合材料的FT-IR图谱。从图中可以看出，角蛋白、丝素及其多孔复合材料在3 303 cm-1、1 654 cm-1、1 530 cm-1和1 239 cm-1附近均有特征峰，分别对应酰胺A、酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ、酰胺Ⅲ条带，说明制备的FK/SF多孔复合材料仍保持蛋白质分子链的基本骨架。3 303 cm-1处吸收带是由-OH和-NH的伸缩振动引起，1 654 cm-1处吸收峰由于肽链中C=O伸缩振动引起，1 534 cm-1、1 520 cm-1处吸收峰是由于N-H弯曲振动引起，1 239 cm-1处特征吸收峰是由C-N伸缩振动引起[12]。

图2 角蛋白、丝素及其多孔复合材料的FT-IR光谱

2.3 结晶结构

图3显示的是角蛋白、丝素及其多孔复合材料的XRD图谱。据文献报道，角蛋白在9°和17.8°处对应的是α-螺旋结构；9°和19°对应的是β-折叠结构[13-14]。蚕丝中含有Silk Ⅰ(α-螺旋β-转角)和Silk Ⅱ(β-折叠)两种结构，12.2°、19.7°和24.7°附近的衍射峰对应Silk Ⅰ结构，9.1°、18.9°和20.7°附近的衍射峰对应Silk Ⅱ结构[15]。从图中可以看出，角蛋白在8.9°和19°附近有明显的衍射峰，对应角蛋白的β-折叠结构；丝素蛋白以无定型峰为主，无明显结晶峰，说明提取得到的丝素蛋白主要为无规则线团结构。FK/SF多孔复合材料仍保持角蛋白两个特征衍射峰，19°附近的衍射峰向右偏移到20.4°附近，这可能是角蛋白和丝素共同作用的结果。

图3 角蛋白、丝素及其多孔复合材料的XRD图谱

2.4 热稳定性

图4显示的是角蛋白、丝素及其多孔复合材料的热稳定性。图4(a)是角蛋白、丝素及其多孔复合材料在25～600 ℃范围内的TGA图，随着温度的上升，FK、SF及其多孔复合材料质量逐渐下降。热分解过程分为3个阶段。第一阶段在25～150 ℃之间，这是由于样品中水分的流失，此阶段FK、SF及其多孔复合材料失重率分别为8.36%、8.13%和9.13%。第二阶段是主要裂解阶段，发生在150～400 ℃之间，FK、SF及其多孔复合材料的热分解残留质量均随着温度的上升而急剧减少，这一阶段主要是蛋白质内部大分子结构受热产生的熔融分解造成的[16]，FK、SF及其多孔复合材料失重率分别为48.89%、40.63%、46.31%。第三阶段是残渣裂解阶段，发生在400～600 ℃之间，在此阶段FK、SF及其多孔复合材料失重率分别为10.80%、12.03%、12.66%，残余物裂解为分子量较小的挥发性化合物[17]。FK热分解温度为141.34 ℃，SF热分解温度为211.02 ℃，FK/SF(CTAB)热分解温度为190.57 ℃。

(a)TGA

图4(b)是FK、SF及其多孔复合材料在200～285 ℃范围内的DSC曲线，FK吸热峰出现在243.46 ℃处，该峰与角蛋白的降解有关[18]。SF吸热峰出现在278.67 ℃处，这归因于取向杂乱的丝素蛋白分子链发生热分解[19]。FK/SF多孔复合材料吸热峰出现在277.31 ℃处，其热学性能与纯丝素非常相似，进一步说明将角蛋白与丝素按照一定比例混合时，两者之间形成了微弱的作用力[20]。TGA中热分解温度和DSC中吸热峰位置均表明SF热稳定性>FK/SF(CTAB)热稳定性>FK热稳定性。

2.5 丝素含量对FK/SF多孔复合材料结构和力学性能的影响

孔隙结构对多孔材料的质量和比表面积的大小有直接影响，不同的孔隙结构决定多孔材料的应用领域。具有良好的力学性能是材料得以大范围应用的前提，角蛋白在应用过程中常受到力学性能较差等问题的制约，而丝素溶液经冷冻干燥制成的材料具有较强的力学性能，且不同丝素质量分数对复合材料的力学性能有较大的影响。

图5显示的是丝素质量分数对FK/SF多孔复合材料的密度和孔隙率的影响。FK/SF多孔复合材料是角蛋白/丝素混合体系经过冷冻后进行真空干燥的结果，真空干燥时在水分升华和负压共同作用下，复合材料产生多孔结构，从图中可以看出，随着丝素质量分数不断提高，FK/SF多孔复合材料的孔隙率不断下降，密度逐渐增加。这是由于丝素质量分数越高，分子间距离缩小，处于无规则卷曲的链段相互交叉构成连续的溶液相，冷冻过程中连续的溶液相上产生冰核，单位体积内冰核数量直接影响多孔复合材料孔密度，冰核数量越多，冷冻干燥得到的多孔复合材料的孔密度越大[21]。

图5 不同丝素质量分数制备的FK/SF多孔复合材料密度和孔隙率

图6显示的是不同丝素质量分数制备的FK/SF多孔复合材料在应变为60%时的压缩强度。从图中可以看出，随着丝素质量分数的增加，FK/SF多孔复合材料的压缩强度逐渐增大。由此说明，FK/SF多孔复合材料的力学性能与共混比例相关，可通过调节丝素质量分数来改善材料的力学性能。这是由于随着丝素质量分数增加，在低温冷冻干燥过程中，材料的孔径逐渐变小，孔密度增大，孔隙率减小，材料更加密实，压缩相同的位移所需的外力越大。