再生絲素蛋白膜的制備與應(yīng)用研究

陳 淼，張奕璇，侯秀良

（1.江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫 2141222；2.江蘇出入境檢驗(yàn)檢疫局紡織工業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)中心，江蘇無(wú)錫 214011）

從聞名世界的絲綢之路開(kāi)始，絲綢與中國(guó)結(jié)下了不解之緣。在蠶絲研究方面，中國(guó)從種桑、養(yǎng)蠶、繅絲、織造直到成品，已經(jīng)形成了成熟完善的學(xué)科鏈，相當(dāng)多的專(zhuān)家學(xué)者在這一學(xué)科鏈上潛心研究，目的就是想要傳承、發(fā)揚(yáng)好這一傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。以往，針對(duì)蠶絲的應(yīng)用研究大多僅僅局限于紡織服裝領(lǐng)域。隨著人們對(duì)蠶絲氨基酸成分、結(jié)晶結(jié)構(gòu)和理化性能研究的不斷深入，如將蠶絲脫膠后的絲素蛋白經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚砗笤谑称贰⒒瘖y品、醫(yī)藥及生物傳感器，光學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用。這對(duì)發(fā)展蠶絲產(chǎn)業(yè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 再生絲素蛋白膜的制備

1.1 再生絲素蛋白溶液的配置

陳忠敏教授等嘗試將1g絲素纖維溶解于100mL的LiBr/CH3OH/H2O有機(jī)無(wú)機(jī)混合溶液，在60℃的水浴下，轉(zhuǎn)速為200r/min攪拌，最終用了20min完全溶解，得到了黏性透明狀的溶液。他們還試著將1g的絲素纖維溶解在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的ZnCl2溶液或是60%的NaSCN溶液中，1h左右可以完全溶解，得到的溶液呈現(xiàn)淡黃色[1]。ZnCl2溶解絲素得到的溶液在透析時(shí)會(huì)出現(xiàn)白膜——即絲蛋白與Zn2+結(jié)合形成的絡(luò)合物。

將蠶絲在0.5%的NaCO3水溶液中反復(fù)煮沸脫去絲膠，干燥，再溶解于9.3mol/L的LiBr溶液中[2]，然后做透析、除雜等處理，得到了分子質(zhì)量在12 000～14 000之間的勻質(zhì)絲素蛋白鹽溶液。將20g脫膠的絲素纖維溶解于200mL物質(zhì)的量比為1:2:8的CaCl2/CH3CH2OH/H2O三元溶液中，75℃條件下緩慢攪拌反應(yīng)2h使其溶解[3]。

此外，考慮到絲素纖維含有的大量分子內(nèi)和分子間氫鍵具有較高的結(jié)晶度，難溶于一般的試劑中。一些強(qiáng)極性溶劑如：強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高濃度鹽溶液、以及有機(jī)溶劑可以溶解絲素，但也存在溶解耗時(shí)長(zhǎng)、有毒有害、得到溶液狀態(tài)不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。于是人們開(kāi)始研究用離子液體來(lái)溶解絲素，在離子液體中的溶解，絲素分子結(jié)構(gòu)被破壞，部分分子鏈斷裂，導(dǎo)致了分子質(zhì)量降低，從而溶解。實(shí)驗(yàn)探究了桑蠶絲在離子液體中的溶解性能[4]，通過(guò)以下反應(yīng)合成了（AMM）Cl溶液，以及[(MA)MI]MCl溶液，并在其中加入桑蠶絲絲素,90℃油浴條件下施以電動(dòng)攪拌，其中的絲素主要以非晶態(tài)，即無(wú)規(guī)卷曲的形態(tài)存在，（AMM）Cl溶液合成反應(yīng)以及[(MA)MI]MCl溶液合成反應(yīng)分別如圖1和2所示。

圖2 [(MA)MI]MCl溶液合成反應(yīng)

1.2 再生絲素蛋白溶液鋪膜

將勻質(zhì)絲素蛋白鹽溶液傾倒在特定的模具中烘干，最終得到具有水溶性的絲素蛋白膜。可以通過(guò)用4層醫(yī)用紗布過(guò)濾除渣，然后將絲素蛋白混合液裝入透析袋 (截留分子質(zhì)量為 8 000Da～12 000Da)，于去離子水中透析96h以除去氯化鈣和乙醇，再將所得絲素蛋白溶液濃縮后于恒溫干燥箱中干燥，制出勻致透明的絲素蛋白膜[3]。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求，我們還可以對(duì)制得的絲素膜進(jìn)行一些后續(xù)處理，改變絲素膜的物理機(jī)械性能。如不溶性處理：利用甲醇或者戊二醛溶液對(duì)絲素蛋白進(jìn)行β化處理[4,5]，得到在水溶液中具有良好穩(wěn)定性的絲素膜，而且此方法十分經(jīng)濟(jì)；利用1-（3-二甲基氨基丙基）-3-乙基碳化二亞胺（EDC）和N-羥基丁二酰亞胺（NHS）對(duì)再生絲素纖維進(jìn)行交聯(lián)處理[6]，纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率有顯著提升。

此外，由于單一絲素膜質(zhì)地較脆，穩(wěn)定性較差。在實(shí)際應(yīng)用中可以引入其他物質(zhì)與絲素發(fā)生共混或交聯(lián)，從而獲得具有更高強(qiáng)度的更好穩(wěn)定性的復(fù)合膜[7]。絲素膜交聯(lián)劑選用低級(jí)多元醇時(shí)，膜的強(qiáng)力、伸長(zhǎng)度和透水性會(huì)得到顯著的提高，若再混入一定的增強(qiáng)材料，得到的復(fù)合絲塑模會(huì)具有更高的強(qiáng)力。

2 再生絲素蛋白膜的應(yīng)用

2.1 醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域

再生絲素蛋白膜是一種良好的創(chuàng)傷修復(fù)材料，由于其優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的生物相容性和可控的生物降解性，形態(tài)易于塑造，透氣性保濕性良好，天然安全無(wú)毒，在動(dòng)物損傷模型實(shí)驗(yàn)中，一些絲素敷料修復(fù)效果優(yōu)于臨床上應(yīng)用的創(chuàng)傷敷料[7]。

再生絲素蛋白膜也常作為細(xì)胞培養(yǎng)基質(zhì)。成纖維細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、干細(xì)胞等各種細(xì)胞對(duì)絲素蛋白膜有良好的粘附性。此外，絲素蛋白膜的細(xì)胞相容性良好，對(duì)一些細(xì)胞的增殖、生長(zhǎng)和分化的不良影響較小[8]。

絲素膜還被用來(lái)做藥物的載體，其表面積大，與藥物有較廣的接觸面積，還有良好的吸附和緩釋功能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與其他藥物保存方式相比，絲素膜大大延長(zhǎng)了疫苗的半衰期，成功打破了抗生素及疫苗低溫保存的限制。通過(guò)研究利用雙膜夾心法將藥物包裹在絲素蛋白膜內(nèi)[9,10]，對(duì)目標(biāo)藥物Vc進(jìn)行緩釋?zhuān)砻饕噪x子液體為溶劑制備的絲素蛋白膜結(jié)構(gòu)致密，分子間隙較小，當(dāng)pH=2.5時(shí)，釋藥時(shí)間在100min，釋藥率達(dá)到最大，效果較傳統(tǒng)膜好，擴(kuò)大了在藥物緩釋上的應(yīng)用。

絲素蛋白材料也可應(yīng)用于骨組織工程領(lǐng)域。絲素蛋白/羥基磷灰石作為人工骨材料具有良好的細(xì)胞相容性[11]。此外，有研究小組通過(guò)冷凍干燥法和化學(xué)交聯(lián)法，將絲素蛋白與殼聚糖以不同的比例混合，制成具有特定微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)合生物支架材料并對(duì)其性能進(jìn)行研究。結(jié)果顯示，這種復(fù)合材料有利于成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)[12]。

2.2 食品、化妝品領(lǐng)域

為達(dá)到食品增香的效果，通過(guò)共價(jià)交聯(lián)法可以使β-葡萄糖苷酶與絲素結(jié)合，形成絲素酶膜。作用于果汁、葡萄酒、茶中，既有利于實(shí)現(xiàn)食品生產(chǎn)過(guò)程中酶的回收及充分利用，又改善豐富了食品的口味[13]。在食品保鮮領(lǐng)域，根據(jù)使用絲素-殼聚糖復(fù)合膜對(duì)鮮切蘋(píng)果的保鮮程度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)以0.6%絲素蛋白+1%殼聚糖溶液涂膜保鮮鮮切蘋(píng)果效果最好，其褐度減少，失重率降低，維持維生素C的含量[14]。

絲素蛋白膜因?yàn)榱己玫纳锵嗳菪?、透氣性和良好的力學(xué)性能被廣泛應(yīng)用在化妝品領(lǐng)域。利用六元醇為交聯(lián)劑與絲素蛋白共混制得水不溶性絲素共混膜作為皮膚的替代品，對(duì)化妝品保濕效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用絲素蛋白與絲膠蛋白等為原料制備蠶絲蛋白霜，質(zhì)地均勻細(xì)膩，性質(zhì)穩(wěn)定、易于涂膜，保濕性能優(yōu)良[15-17]。

3 結(jié)語(yǔ)

采用LiBr/CH3OH/H2O、CaCl2/CH3CH2OH/H2O，或是配置多種離子液體溶解絲素蛋白，再通過(guò)不同的干燥方法鋪膜，可以得到具有較高透明度、良好生物相容性、透氣性的再生絲素蛋白膜。絲素蛋白在醫(yī)療衛(wèi)生、化妝品、食品等等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。發(fā)掘絲素蛋白更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，不僅有利于實(shí)現(xiàn)材料的回收，提高蠶絲利用率，有利于創(chuàng)造更多具有優(yōu)良性能的新材料。相信在中國(guó)由“制造大國(guó)”向“創(chuàng)造大國(guó)”轉(zhuǎn)型的過(guò)程中，對(duì)于蠶絲應(yīng)用的探討絕不應(yīng)該止步于服裝領(lǐng)域，絲素制成的相關(guān)材料一定會(huì)迎來(lái)更寬廣的天地。