再生絲素蛋白水溶液的性能研究

天然動物絲(如蜘蛛絲和蠶絲)具有較高的強度和極強的韌性，其綜合力學(xué)性能遠遠優(yōu)于普通的合成纖維，近年來受到材料和生物領(lǐng)域科學(xué)家的廣泛關(guān)注[1～5]。但由于不同構(gòu)象絲素蛋白分子的性能差別很大，且絲素蛋白成型十分復(fù)雜，目前對蠶吐絲過程中的相關(guān)因素還不完全了解，如液晶的形成、溫度、水含量、pH值、剪切應(yīng)力和微量金屬原子的影響等[2～10]。研究表明，在蠶絲腺體內(nèi)，隨著絲素蛋白由腺體的后部向前部直至向吐絲口的推進，天然絲素蛋白的構(gòu)象由無規(guī)線團轉(zhuǎn)向向列型液晶，直至向β-折疊轉(zhuǎn)變[2,3]。Magoshi等[4]切開正在吐絲的蠶的前部絲腺，用偏光顯微鏡觀察到液態(tài)絲蛋白是一種光學(xué)各向異性的流動態(tài)液晶。Kerkam等[3]研究證實蠶的中部絲腺內(nèi)液狀絲素呈液晶有序態(tài)。為此，作者首先對所制備的再生絲素蛋白(Regenerated silk fibroin,RSF)水溶液的偏光行為進行初步研究，然后以毛細管代替蠶的“腺體”，就再生絲素蛋白水溶液剪切前后的流動性能進行了對比研究。

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

春蠶繭(產(chǎn)于四川西昌)，市售。

纖維素透析袋：MWCO(14 000±2000)，上海源聚生物科技有限公司；實驗用試劑均為分析純。

日本Olympus BX51型偏光顯微鏡(放大倍數(shù)為10×50)；DDS-11A型電導(dǎo)率儀；SHB-ⅢA型循環(huán)水式多用真空泵；DZF-6020型真空干燥箱；FA2104S型電子天平；CHS-1型恒溫器；SDH-02N(C)型低溫恒溫恒濕箱；氣流濃縮裝置、平板剪切流動裝置、微型紡絲裝置，自制。

1.2 再生絲素蛋白水溶液的制備

依據(jù)前期研究方法[8]，在低溫無剪切的溫和條件下，將春蠶繭繭層脫膠、溶解、透析、提純，得到稀的再生絲素蛋白水溶液，然后經(jīng)氣流濃縮裝置處理，制得不同濃度的再生絲素蛋白水溶液。

1.3 再生絲素蛋白水溶液的剪切

再生絲素蛋白水溶液的剪切在平板剪切流動裝置上進行。實驗時，在兩塊平行的玻璃板間填充再生絲素蛋白水溶液，保持上玻璃板固定不動，用牽引機向前牽引下玻璃板來實現(xiàn)對溶液的剪切作用。

1.4 再生絲素蛋白水溶液偏光行為的研究

將25%再生絲素蛋白水溶液滴到載玻片上，然后輕輕地壓上蓋玻片，靜置，用偏光顯微鏡觀察再生絲素蛋白水溶液在無剪切作用下的偏光現(xiàn)象。

模擬紡絲過程，對15%、25%、30%三種濃度的再生絲素蛋白水溶液(分別接近蠶后部、中部和前部腺內(nèi)絲素蛋白濃度)進行相同程度的機械牽引，剪切速度為153 s-1，觀察施加剪切作用后溶液的偏光現(xiàn)象。

1.5 再生絲素蛋白水溶液流動性能的研究

蠶體內(nèi)紡絲液在吐絲管中的流動可以看作是剪切應(yīng)力下的流動。

為了模擬天然絲素蛋白溶液在流經(jīng)腺體時受到的剪切過程，首先將新鮮制備的未剪切的再生絲素蛋白水溶液(簡稱原始溶液)輕輕注入注射器中，然后將其放到微型紡絲裝置上[7]，并在注射器的出口處接入一定長度的毛細管(內(nèi)徑530 μm、長50 cm)以代替蠶的前部絲腺，使注射器中溶液在壓力的作用下以不同的擠出速率流經(jīng)毛細管(1～150 mL·h-1)，進而受到毛細管的剪切作用。記錄流出約2 mg絲素溶液所需的時間，然后將通過毛細管剪切層的溶液(簡稱剪切溶液)重復(fù)做以上實驗。對剪切前后溶液的流動性能進行比較研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 再生絲素蛋白水溶液的偏光行為

蠶實行的是液晶而不是各向同性溶液的貯存和紡絲，而判斷絲素的液晶行為的最重要依據(jù)就是在偏光下觀察其結(jié)構(gòu)特性。

實驗發(fā)現(xiàn)，25%再生絲素蛋白水溶液開始靜置時，蓋玻片內(nèi)外的溶液均呈現(xiàn)出光學(xué)各向同性；而在靜置30 min后，蓋玻片邊緣處的溶液由于水分的蒸發(fā)而使?jié)舛壬?，出現(xiàn)了光學(xué)各向異性現(xiàn)象(圖1)，但蓋玻片和載玻片間的溶液仍為各向同性。這可能是由于低濃度的再生絲素蛋白水溶液包含著較多的無序態(tài)，隨著水分的蒸發(fā)，其濃度逐漸上升，絲素蛋白大分子的有序程度逐步增大所致。

圖1 25%再生絲素蛋白水溶液的偏光顯微鏡照片

在蠶腺體內(nèi)，液晶態(tài)的形成更利于天然絲素蛋白溶液通過窄窄的前部腺體和噴絲嘴，許多研究認為剪切是形成液晶態(tài)的原因之一[2～4]。因此，考察剪切作用對再生絲素蛋白水溶液光學(xué)特性的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 不同濃度再生絲素蛋白水溶液剪切后的偏光顯微鏡照片

未受剪切的再生絲素蛋白水溶液在偏光顯微鏡下幾乎看不到光學(xué)各向異性。從圖2可以看出，在施加相同程度的剪切作用下，15%的再生絲素蛋白水溶液(圖2a)在偏光顯微鏡下出現(xiàn)微弱的偏光現(xiàn)象，伴隨著溶液中絲素蛋白濃度的上升，偏光現(xiàn)象逐漸加強(圖2b、2c)。由此說明，在同樣的剪切外力作用下，再生絲素蛋白溶液的濃度越高，溶液越容易發(fā)生由光學(xué)各向同性至各向異性的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。這可能是因為，絲素蛋白分子在剪切作用下，分子內(nèi)氫鍵的斷裂加速，絲蛋白分子鏈更趨于有序，沿著剪切方向發(fā)生了取向排列，導(dǎo)致溶液呈現(xiàn)出明顯的各向異性。

2.2 再生絲素蛋白水溶液的流動性能

考察不同濃度的原始溶液和剪切溶液的流動性能，結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，不同濃度再生絲素蛋白水溶液的流動性具有相同之處：(1)不管是原始溶液還是剪切溶液均在擠出速率約60 mL·h-1左右時漸漸進入平臺區(qū)，表明當擠出速率超過60 mL·h-1后，單純提高擠出速率對溶液的流動性影響不大；(2)流出相同質(zhì)量剪切溶液所需的時間比原始溶液有所縮短。這可能是通過毛細管剪切后溶液的有序性增加，發(fā)生部分取向的結(jié)果。

圖3 不同濃度再生絲素蛋白水溶液剪切前后流出相同質(zhì)量溶液所需的時間

不同之處則表現(xiàn)為：(1)當濃度較低(如9%)時，在同一擠出速率下原始溶液和剪切溶液的兩條曲線基本重合，表明9%再生絲素蛋白水溶液經(jīng)剪切后流動性能變化不大；(2)隨著溶液濃度升高到20%，當擠出速率低于80 mL·h-1時，在同一擠出速率下，原始溶液和剪切溶液的流出時間差距變得明顯。而當擠出速率超過80 mL·h-1后，原始溶液和剪切溶液的流出時間差距不明顯；(3)當濃度升高到30%時，可看到剪切溶液與原始溶液相比在整個實驗范圍內(nèi)流動性能都發(fā)生了較為明顯的變化。這可能是因為，低濃度的再生絲素蛋白水溶液對剪切不敏感，而隨著溶液濃度的升高，溶液對剪切變得敏感，從而造成溶液剪切前后流動性能的不同。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過剪切應(yīng)力的作用，再生絲素蛋白水溶液的取向明顯增加，呈現(xiàn)光學(xué)各向異性；且溶液濃度越高，偏光現(xiàn)象越明顯。

(2)經(jīng)過剪切后，再生絲素蛋白水溶液更宜于在“腺體”(毛細管)內(nèi)流動，且溶液濃度較低時對剪切不敏感，濃度較高時對剪切敏感。

(3)濃度和剪切作用是影響再生絲素蛋白水溶液性質(zhì)的兩個重要因素。

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