羧甲基纖維素鈉改性角蛋白膜的結構與性能

劉淑萍， 李 亮， 劉讓同， 崔世忠， 王艷婷

(1. 中原工學院 服裝學院， 河南 鄭州 450007； 2. 紡織服裝產業河南省協同創新中心，河南 鄭州 450007； 3. 河南省功能性紡織材料重點實驗室， 河南 鄭州 450007；4. 中原工學院 紡織學院， 河南 鄭州 450007)

近年來，隨著成膜技術的不斷發展，膜材料廣泛應用于各種領域，因此，對膜材料的性能不斷提出新的要求。高分子合成材料制成的傳統膜材料由于其生物降解性差導致廢棄物不易處理，易造成環境污染，使得具有可再生的生物降解天然高分子材料受到人們的廣泛關注[1]。羊毛作為可再生的高分子材料，資源豐富，而且主要是由富含多種氨基酸的角蛋白組成，不僅可生物降解，還具有生物相容性，被廣泛應用于食品、醫藥、包裝、化妝品等領域[2-3]，因此，以羊毛為原料，開發利用羊毛角蛋白資源制備角蛋白膜材料，不僅具有巨大的經濟和社會效益，而且也符合全球可持續發展的需要[4]。但由于純的角蛋白成膜性較差，所制得的膜脆性大，力學性能差，使其應用受到很大的限制。為改善角蛋白的成膜性，許多研究者對其進行了大量的改性研究,改性方法主要有增塑法、化學法和共混法等[5-7]，其中由于共混改性易于實現，所以應用最為廣泛。目前常用的改性劑有聚乙烯醇(PVA)、殼聚糖和纖維素等[8-10]。

羧甲基纖維素鈉(CMCNa)不僅具有良好的成膜性，而且由其制成的膜在醫用過程中能防止創傷面的感染，控制創傷面組織液的滲出，促使創傷面的快速愈合，所以本文采用CMCNa為改性劑，改善羊毛角蛋白的成膜性，并對改性膜的結構與性能進行分析研究，以期為開發具有生物相容性的醫用膜材料提供新途徑。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

羧甲基纖維素鈉(CMCNa)，分析純，天津市魯鑫化工科技有限公司；B-258型非硅消泡劑，廣東中聯邦精細化工有限公司；羊毛角蛋白、去離子水，實驗室自制。

1.2 實驗儀器

EXPLORER型電子天平，美國奧豪斯公司；HHS-2S型恒溫水浴鍋，上海光地儀器設備有限公司；Rapid R-3型間歇式烘干機，臺灣瑞比染色試機有限公司；85-2型磁力攪拌器，江蘇中大儀器廠；VK-X110型形狀測量激光顯微鏡，日本基恩士公司；TENSOR37型紅外光譜儀，德國布魯克公司；D/Max-2550PC 型X射線衍射儀，日本理學株式會社；TG 209F1 Iris型熱重分析儀，德國耐馳公司；OCA20型接觸角測量儀，德國德菲儀器股份有限公司；INSTRON 5582型萬能材料試驗機，美國英斯特朗公司；Φ60型培養皿，上海晶安生物科技有限公司。

1.3 羧甲基纖維素鈉改性羊毛角蛋白膜

CMCNa改性羊毛角蛋白的機制如圖1所示。由于羊毛角蛋白中多數為α角蛋白，其分子內氫鍵作用較大，由其制成的膜脆性大，強度高；當加入CMCNa時，由于CMCNa中的羥基、羧基氧等能與角蛋白分子中的羥基、羧基及氨基等形成分子間氫鍵，破壞角蛋白分子內的強氫鍵相互作用，從而使角蛋白膜的強度降低，韌性提高。同時由于CMCNa還能與角蛋白大分子間形成較強的范德華力相互作用，使二者能夠較好地互容，改善角蛋白的成膜性。

Fig.1 Modified mechanism of wool keratin film by carboxymethyl cellulose sodium

1.4 樣品制備

1.4.1 羊毛角蛋白膜和CMCNa膜的制備

分別取羊毛角蛋白及CMCNa適量置于80 ℃的去離子水中充分溶解，然后在60 ℃水浴鍋中靜置 2 h；再將溶液均勻鋪在放有錫紙的培養皿中，用毛刷刷成具有一定厚度和形狀的薄膜，最后將培養皿在 65 ℃ 的烘箱中干燥90 min，即得到角蛋白膜和CMCNa膜。

1.4.2 CMCNa改性角蛋白膜的制備

按1∶1的質量比分別稱取適量的羊毛角蛋白和CMCNa，先將CMCNa置于適量去離子水中，并在 65 ℃ 下攪拌使其充分溶解；再將羊毛角蛋白置于同樣的去離子水中進行溶解，并與上述CMCNa溶液進行充分混和，在上述溶液中加入適量的消泡劑，用磁力攪拌器攪拌30 min，將混合液置于65 ℃的水浴鍋中靜置2 h，然后鋪制成膜并在65 ℃的烘箱中干燥 90 min，得到CMCNa改性的角蛋白膜。

1.5 測試與表征

1.5.1 表面形貌觀察

采用形狀測量激光顯微鏡觀察純角蛋白膜和CMCNa改性膜的表面形態結構。

1.5.2 化學結構測試

采用紅外光譜儀以KBr壓片法測定角蛋白膜和CMCNa改性膜的化學結構變化，測試掃描范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1。測試前先將試樣在陶瓷研缽中磨成粉末，然后在80 ℃的真空烘箱中烘干24 h。

1.5.3 結晶結構測試

采用X射線衍射儀分析角蛋白膜和CMCNa改性膜的結晶結構。輻射源為CuKα，加速電壓和電流分別為40 kV和60 mA。先將樣品制成粉末并在80 ℃的真空烘箱中烘干24 h后進行測試，掃描范圍為5°～35°。

1.5.4 熱性能測試

采用熱重分析儀測定膜的熱穩定性。測試升溫速率為10 ℃/min，測試溫度范圍：角蛋白膜為室溫至200 ℃，CMCNa改性膜為室溫至600 ℃。

1.5.5 親水性及降解性測試

接觸角測試：室溫條件下用接觸角測量儀測試膜的親水性，測試方法采用懸滴法(水滴體積選用0.5 μL)，從水滴滴到膜上開始至水滴完全被吸收，每隔20 s記錄一次接觸角的大小。

降解性能測試：膜在水中的降解性以膜的質量損失率表示，分別稱取角蛋白膜和改性膜(膜的尺寸為10 mm×10 mm)的質量，記為m1(g)，再將其分別置于室溫條件下的蒸餾水中6 h；然后取出并用稱量紙吸干上面的水分稱取其質量，記為m2(g)，膜的質量損失率w(%)計算公式為：

1.5.6 力學性能測試

膜的力學性能測試參照ASTMD882《測量塑料薄膜和薄片材拉伸性能》，在萬能材料試驗機上進行，測試時膜尺寸為3 cm×10 cm，拉伸速度為 10 mm/min。

2 結果與分析

2.1 膜的表面形態結構分析

激光顯微鏡下的角蛋白膜和CMCNa改性膜的表面形態結構如圖2所示。可以看出，按本文方法所制得的2種膜的表面結構均相對較平整，并且都存在裂縫，但未改性前角蛋白膜的裂縫相對較多，形狀相對細長，經過CMCNa改性后的膜的裂縫相對粗短。這一方面可能與成膜時膜的厚度不太均勻有關，另一方面也與成膜的工藝有關，但從中也可以看出，CMCNa能明顯改善角蛋白的成膜性，使膜的結構更致密，同時也說明要想得到結構更為致密的膜，需要進一步優化制膜工藝。

圖2 角蛋白膜與CMCNa改性膜的表面形態結構(×1 000)

Fig.2 Surface morphologies of keratin film (a) and CMCNa modified film (b)(×1 000)

2.2 膜的化學結構分析

為分析改性前后膜的結構變化，對角蛋白膜、CMCNa膜及其改性膜進行了紅外光譜測試，結果如圖3所示。

圖3 角蛋白膜、CMCNa膜及其改性膜的紅外光譜圖

Fig.3 Infrared spectra of keratin film, CMCNa film and modified film

從圖3可看出，由于角蛋白膜、CMCNa膜及其改性膜中都含有羥基基團，所以三者在 3 455 cm-1附近都出現了羥基O—H的伸縮振動峰。但由于不同膜中羥基的含量不同，其對紅外的吸收強度也不同，其中角蛋白膜的吸收強度最大，CMCNa膜的吸收強度最小，這是因為純角蛋白膜中的羥基較多，而CMCNa膜中羥基較少引起的。當角蛋白與CMCNa共混時，由于二者之間發生了氫鍵相互作用，使角蛋白分子中部分分子內氫鍵轉化為與CMCNa大分子間的氫鍵，羥基中的O—H伸縮振動的強度減弱，但改性膜中仍有大量沒有參與反應的角蛋白存在，所以改性膜在3 455 cm-1附近的吸收峰強度介于純角蛋白的膜和CMCNa膜之間[10]。

純角蛋白膜中位于1 650 cm-1處的較弱的酰胺Ⅰ鍵和位于1 412 cm-1處的C—H和N—H的彎曲振動吸收峰在改性膜中仍然存在，也說明在改性膜中仍有較多的角蛋白沒有參與反應。角蛋白膜中位于1 571 cm-1處的酰胺Ⅱ鍵的較強吸收峰在改性膜中移至了1 558 cm-1處，并且在強度上有所減弱[11]，此外，在改性膜中出現了CMCNa的位于2 340 cm-1處的特征峰和位于1 094 cm-1處的C—C骨架中的C—O伸縮振動峰，說明二者在共混過程具有很好的相容性。角蛋白與CMCNa共混過程中結構的相容性和分子間氫鍵的形成是成膜性能改善的必要條件。

2.3 膜的結晶結構分析

圖4示出角蛋白膜、CMCNa膜及其改性膜的XRD曲線。

圖4 角蛋白膜、CMCNa膜及其改性膜的XRD結晶結構

Fig.4 XRD crystal structure of keratin film, CMCNa film and modified film

從圖4可以看出，角蛋白膜的XRD曲線上有一強一弱2個較明顯的吸收峰：位于11.57°處的強吸收峰是由角蛋白中的α-螺旋構象的結晶結構引起的；而位于14.66°處的較弱吸收峰是由角蛋白的 β-折疊構象結晶結構造成的[12]。從圖中峰的強度可以看出，角蛋白中處于α-螺旋構象結晶結構的大分子要遠多于處于β-折疊構象結晶結構的大分子。對于CMCNa膜，其整個掃描范圍內僅在2θ位于16.98°處有1個饃頭峰，因此，大分子屬于無定形結構[13]。改性膜的XRD曲線上在位于11.63°和15.41°處出現2個強度相接近的吸收峰，11.63°處的吸收峰對應于角蛋白的α-螺旋構象結晶結構，但相對于角蛋白來說，該峰的強度明顯減弱，這說明改性膜中由于分子間氫鍵的形成使其結構中的α-螺旋構象的結晶結構減少；15.41°處的強吸收峰是由于共混過程中角蛋白與CMCNa發生分子間氫鍵相互作用，使改性膜中的β-折疊構象結晶結構的增加引起的[14]，此結果也與紅外結構分析相吻合。

2.4 膜的熱穩定性分析

角蛋白膜和CMCNa改性膜在不同溫度時的質量變化曲線如圖5所示。

圖5 角蛋白膜、CMCNa改性膜在不同溫度時的熱穩定曲線

Fig.5 Thermo-gravimetric curves of keratin film (a) and CMCNa modified film (b) at different temperatures

從圖5中可以看出，無論是角蛋白膜還是CMCNa改性膜，其質量損失曲線都可明顯地分為3個階段。對于角蛋白膜來說，這3個階段分別是：122 ℃之前由于水分蒸發引起的較快的質量損失階段；122～150 ℃之間由蛋白質變性所引起的快速質量損失階段，并且此階段的質量損失速率在131 ℃時達到最大；此后就是由于膜的熱降解所引起的質量損失階段[15]。經過CMCNa改性的角蛋白膜由于二者之間的氫鍵相互作用，在第1階段達到同樣的質量損失時所需的溫度高達264 ℃；隨后在最大質量損失階段，改性后的角蛋白膜不僅質量損失更大，而且質量損失的溫度跨度也較大，這主要是由于在此階段不僅發生了蛋白質的變性，而且部分CMCNa小分子也揮發出去；此后就是角蛋白膜的緩慢裂解過程。由此可見，CMCNa與角蛋白之間具有較好的相容性，CMCNa的加入不僅使角蛋白膜的結構更加致密，而且還使其熱穩定性得以提高。

2.5 膜的親水性及降解性分析

可降解生物醫藥材料膜需要有一定的親水性，角蛋白膜和CMCNa改性膜在不同時間時的接觸角變化曲線如圖6所示。

圖6 角蛋白膜、CMCNa改性膜不同時間的接觸角變化曲線

Fig.6 Change curves of contact angle of keratin film and CMCNa modified film at different time

由于角蛋白大分子中所含的親水基團較多，膜極易吸水，所以其親水性好，接觸角變化快，水滴被膜完全吸收的時間為120 s。當其經過CMCNa改性后，一方面由于CMCNa大分子中的親水基團相對角蛋白來說要少，另一方面由于二者之間形成了分子間氫鍵，也在一定程度上減少了親水基團，所以經過改性后的角蛋白膜親水性相對有所減弱，水滴被膜完全吸收的時間增加至200 s，仍具有較好的親水性。

由于角蛋白膜和改性膜都具有親水性，所以對膜的降解性主要以膜在水中停留一定時間后的質量損失率表示。實驗結果表明，角蛋白膜在經過6 h的溶解后其質量損失率為20.4%，而改性后的角蛋白膜在同樣條件下其質量損失率達到了78.6%。原因可能是一方面CMCNa本身能溶于水，另一方面則由于CMCNa與角蛋白大分子之間形成分子間氫鍵破壞了角蛋白的分子內氫鍵，這些分子間氫鍵在水的作用下被破壞，使更多的角蛋白溶于水造成。

2.6 膜的力學性能分析

角蛋白膜、CMCNa改性膜的拉伸曲線如圖7所示。可以看出，角蛋白膜的拉伸強度較大，伸長較小，經過CMCNa改性后的角蛋白膜強度明顯降低，由35 MPa降低至16.3 MPa，伸長率卻顯著變大，這是因為在CMCNa與角蛋白大分子間形成了分子間氫鍵， 導致角蛋白大分子的分子內氫鍵減弱所引起的。

圖7 角蛋白膜、CMCNa改性膜的拉伸曲線

Fig.7 Tensile curves of keratin film and CMCNa modified film

3 結 論

CMCNa改性角蛋白膜時，由于CMCNa在與角蛋白的共混過程中形成了分子間氫鍵，可改善角蛋白的成膜性，使膜的結構更致密，而且在200 ℃之前的熱穩定性明顯增加。但由于CMCNa中的親水基團相對較少，所以改性后角蛋白膜的疏水性增加，水滴被膜完全吸收的時間由原來的120 s增至 200 s，但其在水中的降解性由原來的20.4%增至78.6%，斷裂強度卻由原來的35 MPa降低至16.3 MPa。此外，由于CMCNa能與角蛋白大分子形成分子間氫鍵，使得經其改性后的膜的結晶結構由原來的α-螺旋構象占主導地位轉變為α-螺旋構象和 β-折疊構象其存的結晶結構。

FZXB

致謝本文得到了中原工學院交叉學科團隊支持計劃、河南省紡織服裝協同創新中心、河南省功能紡織材料重點實驗室等的資助。