唐培朵，戴俊，韋凌志，黃華林

（1.廣西科學院，廣西南寧 530003；2.廣西科學院應用物理研究所，廣西南寧 530003）

絲素蛋白（SF）是一種天然的高純度蛋白質，可由蠶絲脫膠而成，主要成分包括丙氨酸、乙氨酸、絲氨酸等20余種氨基酸，因此可通過降解最終變為氨基酸或寡肽，直接被機體吸收。SF具備非常好的透氧性和生物降解性，可提升其實際應用的效果[1-2]。靜電紡絲技術發展年代久遠，但將靜電紡絲應用于SF納米纖維制備卻相對較短[3]。SF存在Silk Ⅰ和Silk Ⅱ兩種不同的構象，一般認為Silk Ⅰ構象包括無規則線團和α-螺旋，而Silk Ⅱ構象主要由β折疊構象的SF分子鏈組成，即為反平行β-折疊，這種結構具有良好的穩定性和機械性能，能夠滿足實際生產的要求。也正是由于天然蠶絲中的SF具有反平行β-折疊結構，難以在一般溶劑中溶解，因此用SF進行靜電紡絲，需對SF進行預加工（即對蠶絲蛋白進行脫膠、鹽溶解和透析），同時在溶劑的選擇方面亦有較多的限制。目前，靜電紡絲SF納米纖維采用的溶劑可分為有機溶劑和水。其主要的制備過程如圖1所示。

圖1 絲素蛋白（SF）靜電紡絲流程圖

1 有機溶劑

在SF的靜電紡絲制備中，研究較多的是將SF溶于特定有機溶劑后進行靜電紡絲，就目前而言，應用較廣泛的主要有六氟異丙醇（HFIP）、甲酸（FA）和三氟乙酸（TFA）。選擇不同的有機溶劑對靜電紡絲制備的SF纖維的直徑大小和直徑分布有很大的影響。

1.1 六氟異丙醇（HFIP）

徐梅等[4]采用碳酸鈉溶液對蓖麻蠶絲纖維進行脫膠，然后將脫膠后的蓖麻蠶絲素溶于硫氰酸鋰溶液中，透析，干燥成膜。再把SF膜溶解于HFIP中配制成一定比例的紡絲液，利用靜電紡絲法，制成再生蓖麻蠶SF納米纖維膜。實驗可知，制備的納米纖維膜中纖維表面更加光滑。左保齊等[5]將質量分數80%桑蠶絲素蛋白（SF）和20%柞蠶絲素蛋白（TSF）溶解于HFIP溶液中，保持恒溫（25℃）振蕩，進行水浴溶解，制得質量分數為10%的紡絲液。通過調節電壓和接收距離，制得了直徑3～4 μm的SF/TSF復合纖維無紡網。王敏超等[6]將SF與聚己內酯（PCL）按25∶75的質量比為溶于HFIP中，然后配成質量分數為6%的溶液，攪拌12 h，得到透明紡絲液。在電壓l5 kV，接收距離12 cm，紡絲流率0.01 mL/min的參數條件下，制備出直徑400～600 nm的無規則排列的SF/PCL納米纖維。結果表明：滾筒轉速越大，納米纖維排列有序程度越高；納米纖維膜力學性能表現出各向異性，同時具有明顯的非線性和非彈性。尹云雷等[7]以HFIP為溶劑，采用靜電紡絲制備SF-PCL復合納米纖維膜。結果表明：在質量分數為6%，SF與PCL質量比3∶2，紡絲流速為1.2 mL/h時，SF-PCL復合納米纖維膜具有較好的品質。邊瑞琦等[8]將SF溶于HFIP中，配成98.4 g/L的溶液，并加入一定量的Genipin對SF進行交聯改性，交聯時間為10 h，交聯溫度為40 ℃，攪拌配制成混合紡絲液，然后通過靜電紡絲制備交聯的SF納米纖維膜。結果表明，Genipin交聯對結晶結構影響不大，但熱性能提高；Genipin質量比增加，交聯度增加，納米纖維平均直徑增大，纖維膜的力學性能逐漸增強，質量比10%時，拉伸強度和斷裂應變分別為19.6 MPa和5.9%；隨著試驗溫度從40 ℃升高到200 ℃，SF納米纖維膜的拉伸強度和斷裂應變先增大然后減小，當溫度為80 ℃時，其力學性能較好，拉伸強度和斷裂應變分別為41.6 MPa和8.6%。

1.2 甲酸（FA）

由于HFIP的價格較為昂貴，而FA作為SF靜電紡絲的溶劑不僅價格便宜并能滿足實際的需要，還具有良好的揮發性能，有利于納米纖維的形成，因此得到了廣泛的應用。

張幼珠等[9]以88%（wt）FA為溶劑，對SF冷凍膜、室溫干燥膜等進行了深入的研究，并對形貌結構、結晶結構和構象進行了測定分析。結果表明：兩種SF膜均能溶于FA，形成濃度為11%～13%（wt）透明穩定的紡絲液，可以紡得連續的納米級纖維，形成網狀無紡布纖維膜，纖維直徑為200 nm左右。黃建等[10]以無水FA為溶劑，在室溫下，配制了l8%～24%不同紡絲液，在0.9 mm噴絲口直徑下，靜電紡絲制備了纖維膜，結果表明，紡絲液質量分數和電壓會影響到靜電紡絲的性能。經過乙醇處理后，纖維膜的結構由無規卷曲向β-折疊構象轉變，保證纖維膜良好的透濕性，實現377 g/m2·h。陳梅等[11]以98% FA為溶劑，采用靜電紡絲制備SF與透明質酸（HA）共混納米纖維，結果表明：SF與低分子量HA共混納米纖維直徑在100 nm左右，纖維表面光滑，呈圓柱狀；高分子量HA的加入使得纖維形態變差，并出現嚴重的粘連現象；透明質酸的加入未對絲素分子構象和結晶結構產生明顯影響。

1.3 三氟乙酸（TFA）

周偉濤等[12]在室溫下將SF膜溶解在TFA中，充分攪拌得到16%紡絲液。在電壓為15 kV，紡絲速度0.3 mL/h，噴絲口徑為0.7 mm，接收距離為100 mm的參數下，進行靜電紡絲。得到純SF纖維連續，橫截面近似圓形，表面光滑，平均纖維直徑為353.1 nm，且纖維間很少有黏連，分布相對集中。馬瑞麗等[13]根據前人的研究情況，把SF膜溶解于TFA中配制成質量分數為16%的紡絲液，進行靜電紡絲，制備了SF納米纖維膜。對紡好的纖維膜進行了乙醇后處理，從而促進β折疊轉變，分析了納米纖維形貌特征、力學性能。結果表明，經過乙醇處理后纖維直徑會增大，分子結構以β折疊為主，使SF卷曲的肽鏈伸展，有效提升結晶度，相應的增加斷裂強度。最后分析可知，乙醇還具有脫水作用，增加相應的初始模量，從根本上改善了力學性能、熱穩定性。

2 紡絲溶劑——水

相比于HFIP和FA等有機溶劑，以水作為溶劑制備SF納米纖維更符合生物醫用材料的加工，更有利于細胞的生長、黏附和增殖，沒有有機殘留，并防止了環境污染，是一種綠色電紡技術。然而SF水溶液黏度較低，水分揮發較難，因此難以進行靜電紡絲。為能成功從SF水溶液中制得SF納米纖維，學者進行了一系列的研究。

家蠶吐絲過程中，是以水為介質，且為濃度高的紡絲液，并通過細小的紡絲管，進入空氣后固化成絲，是一個常溫常壓下以水為溶劑制得了高性能纖維的過程。王洪等[14]通過觀察蠶腺體內和SF水溶液的流動狀態和各向異性現象，通過SEM和拉曼光譜分析了SF水溶液在蠶腺體內的形態和構象變化，作者認為SF水溶液在蠶腺體內存在一個逐步熟成的過程。隨著其在腺體內的前移，絲素球狀物逐漸溶合，絲素分子的α構象逐漸減少，沿移動方向取向而呈有序態，蠶中部絲腺前段內的SF分子在擠出前已經形成一定量的β折疊構象，因此蠶吐絲時在剪切力和拉伸力的作用下很快可使部分絲素分子形成β折疊構象，最終成為黏度非常大的各向異性的凝膠體進而形成絲纖維，而SF水溶液是黏度非常低的各向同性溶液。這些差異表明，SF水溶液在蠶腺體內的熟成過程是蠶能夠吐出優良蠶絲的關鍵步驟，要想制備出高性能的纖維，在“仿生紡絲”之前，首先要“仿生制備紡絲液”。朱晶心等[15]進一步在仿生制備的SF水溶液的靜電紡絲進行了一系列研究，分別從pH值、金屬離子及工藝參數等角度考察對SF靜電紡絲的影響。模仿蠶在空氣中吐絲時的溶液濃度高達30%，后部絲腺的pH值為6.9的條件下，在低溫無剪切的溫和條件下制備出再SF水溶液，利用靜電紡絲技術紡出的SF纖維直徑在350～4200 nm，平均直徑1700 nm。

3 結語

在納米纖維材料制備工藝方法中，靜電紡絲制備方法比較簡單，能夠創造更多的經濟利潤。近年來，通過靜電紡絲將SF加工成三維納米纖維支架材料成為了研究熱點。盡管SF納米纖維在生物醫學領域的應用研究上已經取得一定成果，但臨床應用仍面臨許多問題，大部分還處在實驗階段。但就目前而言，SF主要利用靜電紡絲技術加工成微納米纖維網、導管等材料，并且研究人員對這些材料的性能進行了全面的分析和研究，推動了當前靜電紡絲技術的進步和醫學生物技術的良性發展。