高通透性絲素蛋白水凝膠膜的制備與性能研究

吳美玲 張 悅 饒 婷 朱聰聰 左保齊

（蘇州大學紡織與服裝工程學院 江蘇 蘇州 215021）

蠶絲是由絲膠和絲素組成的，絲素約占75%，絲膠約占25%[1]。絲素蛋白作為蠶絲主要的組成部分，是目前廣大學者們的研究熱點之一。隨著對其獨特氨基酸成分、結(jié)晶結(jié)構(gòu)和理化性能研究的深入，國內(nèi)外對絲素的應用正從傳統(tǒng)的紡織領(lǐng)域積極地向生物醫(yī)藥、化妝品、食品等諸多先進領(lǐng)域拓展[2]。此外，絲素蛋白通過不同加工方法，可以被制備成水凝膠、凝膠膜等不同形式的再生絲素蛋白材料，絲素蛋白水凝膠膜是最為常見的絲素蛋白材料之一，應用前景廣闊。

本文中采用酸/鹽法溶解制備絲素蛋白水凝膠膜，通過對不同濃度氯化鈣制備出來的凝膠膜的性能進行測試分析，得出不同濃度的氯化鈣對絲素蛋白水凝膠膜的結(jié)構(gòu)性能影響，從而得出要制備出高通透性絲素蛋白水凝膠膜所需的最適氯化鈣濃度。

1 絲素蛋白水凝膠

由于絲素蛋白水凝膠具有優(yōu)異的力學性能、生物相容性、可生物降解性和透氣透氧性[2]，近年來，水凝膠材料在生物醫(yī)學等領(lǐng)域異軍突起,受到國內(nèi)外研究者的青睞[3]。

1.1 水凝膠的結(jié)構(gòu)與性能

絲素蛋白水凝膠是一種具有高保水、高吸水性能的三維網(wǎng)絡(luò)聚合物[3]，有網(wǎng)絡(luò)和海綿一樣的結(jié)構(gòu)[4]，兼具大量的疏水基團及親水殘基[3]。其內(nèi)部的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得其能吸收并保有大量水分[5]，與人體內(nèi)的液體環(huán)境極為吻合[3]。當被加工成不同形狀時，可以應用于不同方面，最常用于生物醫(yī)學、組織工程等多個領(lǐng)域[6]。

1.2 凝膠機理

在一定條件下，再生絲素蛋白由于親疏水、氫鍵、靜電等多種因素共同作用會發(fā)生凝膠化，在這個過程中，其分子結(jié)構(gòu)由無規(guī)卷曲轉(zhuǎn)變?yōu)棣?折疊結(jié)構(gòu)[7]，形成的是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。該過程受諸多因素的影響，如絲素濃度、凝膠溫度、pH值、外力、剪切作用和表面活性劑等[5]，但蛋白質(zhì)形成凝膠的過程主要是涉及氫鍵、親疏水性相互作用和靜電相互作用[4]。通過控制這些因素，可以獲得不同性質(zhì)的絲素蛋白水凝膠[5]。

2 絲素蛋白水凝膠膜的制備

2.1 實驗材料與儀器

實驗材料：

桑蠶絲 無水碳酸鈉 無水氯化鈣 甲酸（98%）去離子水

實驗儀器：

電子稱 恒溫恒濕箱 磁力攪拌器 聚苯乙烯皿玻璃棒 高壓鍋

通風櫥 燒杯若干 濾網(wǎng) 漏斗 吸管 鑷子 剪刀 游標卡尺

2.2 實驗部分

2.2.1 脫膠

稱取180克的桑蠶絲，在浴比為1∶40、溫度為

100℃、碳酸鈉濃度為0.05wt%的條件下對桑蠶絲脫膠，脫膠時間30分鐘，取出桑蠶絲后置于50-60℃的去離子水中洗滌[1]。重新配置碳酸鈉溶液和去離子水，在相同條件下重復進行兩次脫膠洗滌，將三次脫膠后得到的絲素在烘箱中烘干備用。稱量最終得到的絲素質(zhì)量，計算出脫膠率。

2.2.2 溶液制備

在室溫下，將質(zhì)量分別為2g、4g、6g、8g、10g的無水氯化鈣溶解于濃度為98%的甲酸溶液中，磁力攪拌約30分鐘使氯化鈣充分溶于甲酸。用電子稱稱取五份烘干后的絲素，每份8g。再將每份絲素纖維溶于不同濃度的甲酸/氯化鈣溶液中，放置磁力攪拌器上攪拌四小時，充分攪拌后得到絲素溶液。獲得的絲素溶液中，絲素濃度均為8wt%，氯化鈣濃度分別為2wt%、4wt%、6wt%、8wt%、10wt%。

2.2.3 成膜

將絲素溶液經(jīng)濾網(wǎng)充分過濾，然后將其倒在聚苯乙烯皿中，每份絲素溶液平均倒入6個聚苯乙烯皿（直徑15cm），為盡量使絲素溶液均勻地平鋪到皿中，采用將皿放在水面上的方式。然后將裝有絲素溶液的皿放在通風櫥中，室溫狀態(tài)下干燥，待甲酸完全揮發(fā)后，在去離子水中透析，約12小時后取出。在不附加外力的情況下將膜從聚苯乙烯皿中取下并利用皿壓膜，以防止膜卷縮。待膜半干半濕狀態(tài)下，將膜揭下放入自封袋中，室溫下自然晾干獲得較均勻平整的膜，以供后面實驗中性能測試時使用。

3 絲素蛋白水凝膠膜的性能研究

利用酸/鹽溶解絲素蛋白的方式，通過改變CaCl2濃度可制備具有不同結(jié)構(gòu)和性能的水凝膠膜。為了選取性能優(yōu)異的膜進行應用探索，對制得的膜進行了拉伸材料測試、X射線衍射（XRD）、紅外光譜測試（FTIR）、酶標儀測試等，通過分析測試得到的數(shù)據(jù)，對不同濃度氯化鈣所制得的絲素蛋白水凝膠膜的力學性能、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、分子構(gòu)象、透光性等進行分析，探討鹽濃度對水凝膠膜的結(jié)構(gòu)性能的影響。綜合評估后，可得出制備高通透性絲素蛋白水凝膠膜所需的最佳CaCl2濃度。

3.1 力學性能分析

3.1.1 實驗方法

將濕態(tài)下的膜剪為50×50mm的樣品，用Instron3365萬能材料試驗儀測定其在濕態(tài)下的斷裂應力、斷裂應變等力學性能指標。測試時，夾持距離為20mm，夾持器拉伸速度為10mm/min，預加張力為0.2cN。

3.1.2 測試結(jié)果與分析

圖1為不同的CaCl2濃度下制備的絲素蛋白水凝膠膜的應力應變圖。由圖可知，當CaCl2濃度為2wt%和4wt%時，對應的凝膠膜應力應變曲線先相交，交點之前兩條曲線對應的膜模量相近，CaCl2濃度為2wt%時制得的膜斷裂強度稍大于4wt%，斷裂伸長率稍小于4wt%。交點之后，CaCl2濃度為4wt%對應的膜的模量逐漸大于2wt%，斷裂強度稍大于2wt%，斷裂伸長率稍小于2wt%，但總體上兩條曲線差距不大。

設(shè)CaCl2濃度為6wt%和8wt%時對應的曲線后相交，交點之前，CaCl2濃度為6wt%曲線對應的膜模量稍大于8wt%，斷裂強度稍大于8wt%，斷裂伸長率稍小于8wt%，交點之后正好相反。但明顯CaCl2濃度為6wt%和8wt%時對應的曲線在CaCl2濃度為2wt%和4wt%時對應的曲線下面，前者對應的膜的模量、斷裂強度遠小于后者，斷裂伸長率稍大于后者。CaCl2濃度為10wt%的曲線對應的膜模量小、斷裂強度較小、斷裂伸長率大，力學性能較差。

若未來將該膜應用于隱形眼鏡的材料來說，需要強度較大、模量較大、伸長率適中。綜合這三個指標，對以上幾組不同CaCl2濃度對應的膜力學性能進行排序，從好到差依次為：4wt%、2wt%、6wt%、8wt%、10wt%。

圖1 同濃度氯化鈣制得的膜的應力應變圖

3.2 結(jié)晶結(jié)構(gòu)分析（XRD）X射線衍射分析

3.2.1 實驗方法

將不同鹽濃度下制備的凝膠膜剪成粉末狀，利用荷蘭帕納科公司的全自動X’PERTPROMPD射線衍射儀對膜進行XRD測試。測試時，使用CuKα射線，射線波長為0.154nm，管電壓為40kV，電流為40mA，掃描范圍2θ=5°-45°，掃描速率為10°/min。

3.2.2 測試結(jié)果與分析

XRD通過對材料進行X射線衍射，分析其衍射圖譜，可以獲得材料的成分、材料內(nèi)部原子或分子的結(jié)構(gòu)或形態(tài)。根據(jù)不同濃度氯化鈣制備的絲素蛋白水凝膠膜XRD衍射圖譜的衍射峰和相關(guān)變化，可得出氯化鈣濃度對凝膠膜結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響。

絲素蛋白的構(gòu)象一般以無規(guī)卷曲、α-螺旋和β-折疊為主。其中，無規(guī)卷曲、α-螺旋的主要衍射峰為12.2°、19.7°、24.7°和28.2°，而β-折疊的衍射峰主要為9.1°、18.9°、20.7°和24.0°[8]。圖2為不同氯化鈣濃度時制備的凝膠膜的XRD衍射圖譜。

由圖2可知，在不同的氯化鈣濃度下，衍射峰主要集中在20.48°-24.08°之間，為α-螺旋與β-折疊的混合峰；在11.56°前，有一個弱峰，峰值處對應β-折疊結(jié)晶衍射峰?？傮w來看，該凝膠膜的結(jié)晶結(jié)構(gòu)主要為β-折疊。隨著氯化鈣濃度的增加，β-折疊結(jié)晶衍射峰逐漸消失。由此可見，在氯化鈣濃度較高的條件下，溶解會破壞絲素蛋白的β-折疊結(jié)構(gòu)。可能是由于在溶解相同含量的絲素時，CaCl2量越多，且溶解時間相同的情況下對絲素的破壞作用越快，較為穩(wěn)定的結(jié)晶結(jié)構(gòu)β-折疊遭到一定程度的破壞。

3.3 分子構(gòu)象分析（FTIR）紅外光譜測試

3.3.1 實驗方法

將制備好的絲素蛋白水凝膠膜剪成粉末狀，加入溴化鉀粉末研磨壓片制成樣品，用Nicolet5700型傅立葉紅外光譜儀對不同鹽濃度下獲得的膜進行測試。測試時，波數(shù)范圍為400-4000cm-1，掃描次數(shù)為32次，光譜分辨率為4cm-1。

3.3.2 測試結(jié)果與分析

紅外光譜法具有操作簡單、精度較高、重復性好等優(yōu)點，同時又能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進行深入研究，被廣泛應用于表征聚合物的結(jié)構(gòu)特征[9]。圖3表現(xiàn)了甲酸（FA）/氯化鈣（CaCl2）溶解體系下以相同SF濃度，不同CaCl2濃度溶解所制備的類凝膠膜分子構(gòu)象的差異。

絲素蛋白的構(gòu)象以無規(guī)卷曲、α-螺旋、β-折疊為主[10]。已有研究表明，無規(guī)卷曲與α-螺旋結(jié)構(gòu)的特征峰出現(xiàn)在1640-1660cm-1（酰胺I），1535-1550cm-1（酰胺II），和1235（酰胺III）附近；而β-折疊的特征峰出現(xiàn)在1625-1640cm-1（酰胺I），1515-1525cm-1（酰胺II）和1265cm-1（酰胺III）附近[1]。

圖3為繪制出來的FTIR圖像，由圖可知，氯化鈣濃度為2wt%、4wt%、6wt%、8wt%、10wt%時，均有2個特征峰，峰值分別為1624cm-1、1525cm-1，由此可知，當絲素濃度一定時，氯化鈣濃度增加對分子構(gòu)象基本無影響，凝膠膜的分子構(gòu)象一直以β折疊為主。

圖3 不同濃度氯化鈣制得的膜的紅外光譜圖

3.4 透光性分析酶標儀測試

3.4.1 實驗方法

將制得的凝膠膜平衡24小時后用剪刀剪成與24孔孔板孔徑相同的小圓片，并將小圓片置于孔板內(nèi)，用酶標儀測定特定波長處干態(tài)凝膠膜的吸光度（A）。之后將置于24孔板中的膜用去離子水浸泡24小時后，用同樣的方法測定濕態(tài)膜的吸光度。

3.4.2 測試結(jié)果與分析

由于人眼視網(wǎng)膜上的感光細胞對不同波長的光敏感度不同，峰值分別為507nm、555nm和490nm；而三原色紅光、綠光、藍光的波長分別為700nm，546.1nm，435.8nm[11]。所以綜合考慮后，在干態(tài)和濕態(tài)情況下測定了激發(fā)波長為492nm、550nm以及700nm時水凝膠膜的吸光度（A），并計算平均值。由公式T=1/10A×100%可求出水凝膠膜的透光率（T）。

由圖4可知，在干態(tài)情況下，隨著氯化鈣濃度的增加，透光率變化總體趨勢為先緩慢上升，再以相對較大幅度下降，最后緩慢上升。氯化鈣濃度在6wt%左右時，透光率達到最大，在2wt%、4wt%左右時次之。在濕態(tài)情況下測試，分析圖5可得結(jié)論：透光率普遍較干態(tài)高，基本在70%以上，變化趨勢與干態(tài)基本一致，透光率在氯化鈣濃度6wt%左右時最大。由此得出，凝膠膜在濕態(tài)下透光性能比較好，且在CaCl2濃度為6wt%時透光性能最好。

隱形眼鏡的光學性能是一個重要的指標，中國國家標準規(guī)定，不著色硬性隱形眼鏡的透光率不小于88%，不著色軟性隱形眼鏡的透光率不小于92%[12]。在合適的鹽濃度下，有望于制備高通透性的水凝膠膜并用于隱形眼鏡等領(lǐng)域。

圖4 不同濃度氯化鈣制得的膜的干態(tài)透光率曲線

圖5 不同濃度氯化鈣濃度制得的膜的濕態(tài)透光率曲線

4 結(jié)論

綜上所述，通過對酸/鹽法制備的絲素蛋白水凝膠膜的力學性能、X射線衍射、紅外光譜和透光性進行測試和分析，得出結(jié)論：氯化鈣濃度的變化會對酸鹽法制備的絲素蛋白水凝膠膜的性能造成不同程度的影響。綜合力學系性能、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、透光性來看，當氯化鈣濃度為4%、6%時，膜的性能較為優(yōu)異，通透性較好。未來，絲素蛋白水凝膠膜有望應用于隱形眼鏡等新的領(lǐng)域。