半胱氨酸偶聯(lián)蛋白改性萊賽爾纖維性能研究

王慧鵬 葉小波 唐 林 董雄偉

（1.武漢紡織大學(xué)，湖北武漢，430200；2.當(dāng)陽(yáng)市鴻陽(yáng)新材料科技有限公司，湖北宜昌，444100）

萊賽爾纖維是一種天然可降解的再生纖維素纖維，因其光澤優(yōu)美，手感柔軟，吸濕性好等特點(diǎn)而備受關(guān)注，已被廣泛應(yīng)用于內(nèi)衣、面膜等諸多領(lǐng)域［1］。然而，由于纖維素纖維的親膚性及生物相容性還有待提高，限制了其在生物醫(yī)療及醫(yī)用功能敷料等領(lǐng)域的應(yīng)用空間。關(guān)于萊賽爾纖維表面改性研究有很多。余升強(qiáng)［2］以蔗渣纖維素為原料制備蔗渣纖維素生物膜載體，同時(shí)通過(guò)物理改性和化學(xué)交聯(lián)改性使載體具有較強(qiáng)的拉伸強(qiáng)度、高孔隙率、大比表面積、較高的吸水保濕性及可控的降解性。劉瀾［3］利用農(nóng)業(yè)廢棄物稻稈為原料，對(duì)其進(jìn)行表面化學(xué)改性以及利用復(fù)合菌系進(jìn)行生物改性，制備染料吸附劑。楊明煜［4］在纖維生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行表面化學(xué)交聯(lián)處理，以賦予纖維抗原纖化的能力。

膠原蛋白是存在于動(dòng)物結(jié)締組織與骨骼肌中常見(jiàn)的纖維狀蛋白質(zhì)，其分子結(jié)構(gòu)獨(dú)特，呈現(xiàn)α-螺旋結(jié)構(gòu)，由于其與人體極佳的生物相容性，在食品、醫(yī)藥、組織工程等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用［5-6］。

本研究采用表面改性方法，使用半胱氨酸作為偶聯(lián)劑將膠原蛋白接枝于萊賽爾纖維上，并對(duì)改性后的萊賽爾纖維進(jìn)行測(cè)試分析。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

萊賽爾纖維規(guī)格1.44 dtex×38 mm，由當(dāng)陽(yáng)市鴻陽(yáng)新材料科技有限公司提供。所使用的氫氧化鈉（片狀）采購(gòu)于上海國(guó)藥公司；半胱氨酸采購(gòu)于J&K公司；膠原蛋白由中國(guó)庫(kù)爾化工有限公司提供。研究中使用的所有化學(xué)物質(zhì)均為分析純，因此無(wú)需再做進(jìn)一步的提純處理。

1.2 萊賽爾半胱氨酸偶聯(lián)蛋白改性方法

取10 g萊賽爾纖維，用去離子水洗滌3遍后取出纖維，將其放入到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的氫氧化鈉溶液中，在30℃的恒溫水浴中洗滌15 min，洗滌結(jié)束后取出纖維，再將纖維放入到純乙醇溶液中，在30℃的恒溫水浴中洗滌，洗滌時(shí)間10 min后放在室溫下靜置30 min，再放入真空烘箱烘干至恒重；然后把纖維放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的半胱氨酸溶液中（半胱氨酸溶液需先用氫氧化鈉調(diào)節(jié)至p H值6.8），在30℃的恒溫水浴中反應(yīng)3 h，取出后用去離子水洗滌至中性，烘干至恒重；最后將與半胱氨酸反應(yīng)后的纖維放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的蛋白質(zhì)溶液中（蛋白質(zhì)溶液需先用稀鹽酸調(diào)節(jié)至p H值5.5），在30℃的恒溫水浴中反應(yīng)4 h，取出后用去離子水洗滌至中性，烘干至恒重。

1.3 試驗(yàn)儀器與測(cè)試方法

1.3.1 纖維表面微觀形貌

使用JSM-7500F型10 kV掃描電鏡對(duì)萊賽爾纖維接枝改性前后的表面形貌進(jìn)行觀察。將需要檢測(cè)的纖維剪成1 cm長(zhǎng)的束狀用導(dǎo)電膠貼在樣品臺(tái)上，在鍍金儀器上進(jìn)行噴金處理后隨機(jī)在一束纖維的表面進(jìn)行20個(gè)位置的電鏡掃描。

1.3.2 元素含量分析

使用K-Alpha+型X射線光電子能譜儀對(duì)萊賽爾纖維接枝改性前后的元素進(jìn)行定量分析。首先，將需要檢測(cè)的纖維剪成1 cm長(zhǎng)的束狀用雙面膠貼在樣品臺(tái)上，將樣品臺(tái)放入真空室，開(kāi)始抽真空達(dá)到5×10-5Pa以下，X射線源為單色化Alka源（Mono Alka），進(jìn)入分析室進(jìn)行分析，對(duì)樣品隨機(jī)取5點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。

1.3.3 紅外光譜分析

使用Bruker Tensor II型傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)定樣品的紅外光譜圖，掃描次數(shù)為32次，分辨率為4 cm-1，掃描范圍為400 cm-1～4 000 cm-1。稱取2 mg左右的樣品與100 mg干燥過(guò)的溴化鉀粉末在10 MPa壓力下研磨壓成半透明膜片，在紅外光譜儀上測(cè)定萊賽爾纖維接枝前后的紅外光譜。DTGS檢測(cè)器為氘化硫酸三苷肽。

1.3.4 X射線衍射分析

使用XRD-6000型X射線衍射儀，得到改性前后的纖維大分子序態(tài)以及結(jié)晶度的變化，將纖維剪碎呈粉末狀后在X射線衍射儀得到萊賽爾纖維改性前后的X射線衍射圖。

1.3.5 力學(xué)性能測(cè)試

使用YG-003型單纖維強(qiáng)力機(jī)對(duì)改性前后萊賽爾纖維進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，將單根纖維在夾持長(zhǎng)度10 mm、拉伸速度20 mm/min的條件下進(jìn)行拉伸，至纖維被拉斷為止，儀器將會(huì)自動(dòng)記錄纖維斷裂時(shí)的斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長(zhǎng)率。取100根纖維的數(shù)據(jù)平均值作為測(cè)試結(jié)果。

1.3.6 接枝率

對(duì)萊賽爾纖維接枝前后的試樣進(jìn)行烘干稱重，接枝前萊賽爾纖維的質(zhì)量記為W1，接枝后質(zhì)量記為W2，接枝率計(jì)算見(jiàn)式（1）。

2 測(cè)試結(jié)果與討論

2.1 纖維的表觀形貌與分析

改性前后萊賽爾纖維的表觀形貌見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，洗滌除雜后的萊賽爾纖維表面較光滑。由于NaOH溶液僅對(duì)萊賽爾纖維起到溶脹作用，未發(fā)生溶解現(xiàn)象，故纖維形貌沒(méi)有發(fā)生明顯變化。但萊賽爾纖維經(jīng)過(guò)NaOH溶液處理、去離子水沖洗的處理過(guò)程后，其無(wú)定形區(qū)經(jīng)歷膨脹-收縮過(guò)程，最后恢復(fù)到干燥狀態(tài)時(shí)大分子間原有的排列被大大改變，彼此之間堆砌得更加緊密，從而造成無(wú)定形區(qū)的收縮，其宏觀表現(xiàn)就是纖維的直徑較初始狀態(tài)有一定程度的回縮［7］。經(jīng)半胱氨酸處理后的萊賽爾纖維表面有輕微的溝壑產(chǎn)生，直徑相對(duì)于洗滌除雜后的纖維有一定程度的減小。經(jīng)蛋白接枝后的萊賽爾纖維，在外表面形成了一層較明顯的蛋白質(zhì)膜，說(shuō)明蛋白質(zhì)不僅填充了纖維表面的裂紋和溝壑，而且還覆蓋上了明顯的蛋白質(zhì)膜層，纖維直徑也得到了一定程度的恢復(fù)，改性前后的平均纖維直徑由初始的8.30μm增大到8.97μm，這說(shuō)明萊賽爾纖維接枝蛋白的效果是明顯的。

圖1 改性前后萊賽爾纖維微觀形貌

2.2 元素含量分析

改性前后的萊賽爾纖維所含的元素含量情況見(jiàn)表1。

表1 改性前后萊賽爾纖維的元素含量

從表1可以看出，由于改性所帶來(lái)的基團(tuán)變化，萊賽爾纖維原樣經(jīng)過(guò)半胱氨酸處理后，半胱氨酸表面的羥基（—OH）與纖維表面的羧基（—COOH）發(fā)生酯化反應(yīng)，所以蛋白接枝后的氮（N）和氧（O）元素含量相對(duì)增加；同時(shí)由于硫（S）元素只存在于半胱氨酸的巰基（—SH）與蛋白質(zhì)氨基酸中，所以其相對(duì)含量變化增加極為明顯。

2.3 紅外光譜分析

改性前后萊賽爾纖維的紅外光譜圖見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，萊賽爾纖維原樣和蛋白接枝后仍然在2 893.9 cm-1處存在—CH的伸縮振動(dòng)吸收帶，在1 641.1 cm-1處存在纖維素纖維吸水產(chǎn)生H—O—H的對(duì)稱和不對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，印證了蛋白接枝并不會(huì)改變?nèi)R賽爾纖維的特征結(jié)構(gòu)。此外，蛋白接枝萊賽爾纖維在3 300 cm-1處出現(xiàn)了新的吸收峰，是—NH伸縮振動(dòng)峰；而且1 221.3 cm-1處和1 004.3 cm-1處—OH的峰消失了，這是因?yàn)椤狾H發(fā)生反應(yīng)生成了其他基團(tuán)。說(shuō)明蛋白接枝萊賽爾纖維的試驗(yàn)是成功的。

圖2 改性前后萊賽爾纖維紅外光譜圖

2.4 X射線衍射分析

改性前后萊賽爾纖維的X射線衍射曲線圖見(jiàn)圖3。

圖3 改性前后萊賽爾纖維X射線衍射曲線圖

從圖3可以看出，在2θ為20°～22°處不僅含有纖維素Ⅱ型結(jié)晶結(jié)構(gòu)的特征衍射峰，還明顯出現(xiàn)了纖維素Ⅲ型的特征峰。堿處理除去了纖維結(jié)構(gòu)中的非纖維素成分，破壞了氫鍵的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使纖維的化學(xué)組成、聚合度和纖維素微晶的分子取向發(fā)生了改變［8］。因此，萊賽爾纖維原樣和蛋白接枝后的X射線衍射曲線在經(jīng)過(guò)堿處理后出現(xiàn)部分結(jié)晶度改變，但基本是吻合的，萊賽爾纖維原樣在2θ為20.5°處會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)衍射峰，在2θ為41.2°處有相對(duì)較弱的衍射峰，這說(shuō)明萊賽爾纖維在經(jīng)過(guò)蛋白接枝后其內(nèi)部序態(tài)結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。

2.5 力學(xué)性能分析

改性前后萊賽爾纖維斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的變化見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出，與萊賽爾纖維原樣相比，經(jīng)過(guò)半胱氨酸處理后的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率均相對(duì)有所下降，而通過(guò)蛋白接枝后的萊賽爾纖維力學(xué)性能在一定程度上得到改善。這是因?yàn)閹€基化導(dǎo)致萊賽爾纖維大分子鏈之間原有的結(jié)構(gòu)完整性受到破壞，但其主體部分未受到破壞，因此降低了聚合物大分子之間的相互作用。在經(jīng)過(guò)蛋白接枝后，原本被破壞的纖維表面被蛋白質(zhì)膜層覆蓋修復(fù)，使得蛋白接枝后的纖維力學(xué)性能相比于改性前有一定程度改善，其斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率均相對(duì)提高了9.21%、4.4%。

圖4 改性前后萊賽爾纖維力學(xué)性能的變化

2.6 接枝率的變化

在其他試驗(yàn)條件不變的情況下，研究半胱氨酸處理對(duì)蛋白接枝率的影響。依次對(duì)洗滌除雜后直接進(jìn)行蛋白接枝的萊賽爾纖維、洗滌除雜后經(jīng)過(guò)半胱氨酸處理后再與蛋白接枝反應(yīng)的萊賽爾纖維進(jìn)行真空烘干稱重，計(jì)算接枝率，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，經(jīng)過(guò)半胱氨酸處理后的萊賽爾纖維在蛋白接枝時(shí)的平均接枝率為2.4%，而未經(jīng)半胱氨酸處理的萊賽爾纖維平均接枝率為1.75%?？梢钥闯觯?jīng)過(guò)半胱氨酸處理后的萊賽爾纖維相比于未經(jīng)半胱氨酸處理后的萊賽爾纖維蛋白接枝率更高。

表2 經(jīng)半胱氨酸處理的蛋白接枝率

3 結(jié)論

該制備方法成功為萊賽爾纖維接枝了一層致密且光滑的蛋白質(zhì)膜層，賦予了萊賽爾纖維以天然蛋白質(zhì)纖維的外觀與性能特征。對(duì)其表觀形貌變化進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)半胱氨酸處理后的纖維直徑減小，而蛋白接枝后的纖維平均直徑達(dá)到8.97μm，比改性前的洗滌除雜處理增加了8.07%，且其表面出現(xiàn)了一層蛋白質(zhì)膜層。改性后的萊賽爾纖維出現(xiàn)了酰胺鍵、二硫鍵及其元素成分，也表明蛋白質(zhì)已成功接枝在萊賽爾纖維上。同時(shí)，經(jīng)過(guò)半胱氨酸處理的萊賽爾纖維在接枝率上相比于未經(jīng)過(guò)半胱氨酸處理的萊賽爾纖維提升了37.1%。制得的半胱氨酸偶聯(lián)蛋白改性萊賽爾纖維具有良好的力學(xué)性能，拓寬了其在生物醫(yī)療及醫(yī)用功能敷料等領(lǐng)域的應(yīng)用空間。