再生絲素蛋白可紡性研究

朱彩紅 石培峰 呂張飛 胡迎春

摘? ?要：靜電紡絲技術制備的納米纖維具有極高的比表面積和孔隙率等獨特性質，使其在生物醫學、電子、能源等方面具有廣泛的應用前景。絲素蛋白由于其獨特的機械性能、生物相容性和緩慢的降解性，成為組織工程的基質材料。利用靜電紡絲技術進行了再生絲素蛋白的可紡性研究，獲得了相應的靜電紡絲工藝參數，取得了預期的效果。

關鍵詞：靜電紡絲;絲素蛋白;納米纖維;組織工程;掃描電鏡

1? ? 絲素蛋白概述

近年來，隨著納米技術的發展，納米纖維已被廣泛應用于各個領域，但由于納米纖維的生產成本較高，遠遠不能滿足生產的需要，人們正在尋找成本更低、產量更大的納米纖維制造方法。靜電紡絲技術相對于其他生產技術在制備納米纖維上具有無可比擬的優勢，如設備簡單、操作方便、適用于大部分聚合物。利用靜電紡絲技術制備的納米纖維具有極高的比表面積和孔隙率等獨特性質，使其在生物醫學、電子、能源等方面具有廣泛的應用前景。

絲素蛋白是一種從蠶絲中提取的蛋白質，由乙氨酸、丙氨酸、絲氨酸等20余種氨基酸組成，是一種有價值的生物醫學候選材料。它具有良好的生物相容性、血液相容性、良好的氧氣和水滲透性、可生物降解性、非細胞毒性和最小限度炎癥反應。它可作為生物識別信號，促進細胞黏附，在生物醫學領域應用十分廣泛。

本研究的目的是制備再生絲素蛋白，利用甲酸進行溶解，對其溶液進行靜電紡絲，以表征微觀結構，探尋絲素蛋白的最佳靜電紡絲工藝參數，為其應用到生物領域做進一步的探索。

1? ? 試驗材料與方法

1.1? 主要材料與試驗儀器

家蠶生絲，碳酸鈉（Na2CO3），氯化鈉（NaCl），磷酸二氫鉀（KH2PO4），磷酸氫二鈉（Na2HPO4），氯化鉀（KCl），溴化鋰（LiBr），甲酸（98%）。

靜電紡絲裝置高速離心機、恒溫干燥箱、真空冷凍干燥機、電子天平、磁力攪拌器、掃描電子顯微鏡、燒杯、量筒、玻璃棒、透析袋等。

1.2? 再生絲素蛋白的制備

將1 L去離子水加熱至沸騰，加入2.12 g Na2CO3，完全溶解后，將2.5 g桑蠶絲浸在溶液中，在100 ℃水溫下邊加熱邊用玻璃棒攪拌，約煮0.5 h。將煮熟的絲用溫去離子水徹底洗凈，然后放在錫紙上，在60 ℃烤箱中烘干一夜。取出干絲稱重（m），每1.35 g絲加5 mL 9.3 mol/L溴化鋰溶液溶解。待蠶絲溶解后，將蠶絲溶液從烘箱中取出，使其溫度降至室溫，并將其裝入透析袋中，再將透析袋放入去離子水桶中透析3天。取出透析袋，將溶液倒入用紗布密封的干燥燒杯中，移入離心管，4 ℃ 9 000 r/min，離心20 min，即獲得清澈的再生SF新鮮水溶液，溶液質量分數約6%。

將一定量（50 mL）6%再生絲蛋白溶液（SF）放置在一個燒杯，迅速移至60 ℃烤箱。當體積降至原溶液體積的1/2時，絲素溶液的質量分數約為12%。將濃縮蠶絲蛋白溶液轉移到覆蓋有微孔的塑料皿中，繼續緩慢濃縮。當體積約為原來的1/2時，對溶液進行質量分數測定，測得溶液質量分數為20%～25%。將溶液放至4 ℃冰箱，2～3天后用玻璃棒緩慢攪拌，用超純水稀釋到0.5%并轉移到一個密封的溶劑瓶，然后放至60 ℃烤箱中轉化為凝膠狀態，再將凝膠放至4 ℃冰箱里。

將絲素蛋白凝膠放入耐低溫塑料燒杯中，并放置在一個﹣81 ℃超低溫冰箱中一夜，然后放于真空冷凍干燥機中，完全凍干3天后，得到固體再生絲素纖維。

1.3? 納米纖維膜的制備

將固體再生絲素纖維溶解在98%甲酸中，制備2%、4%、5%、6%、8%、10%質量分數的紡絲溶液，室溫下用磁力攪拌器攪拌8 h，充分溶解后備用。

靜電紡絲裝置包含供液系統、高壓供電系統和接收系統3個部分。將溶液放入5 mL的注射器中，針頭內徑5 mm，針尖接電源的高壓輸出端。接收平板接電源的低壓輸出端，與針尖之間的接收距離是15 cm，接收平板上平鋪上錫箔紙。電紡電壓為20 kV，注射泵控制液體流量為0.3 mL/h。當電壓從0 kV增加到20 kV時，針尖處形成一滴溶液，然后噴射出去，在錫箔上收集納米纖維。

1.4? 測試與表征

掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）是介于透射電鏡和光學顯微鏡之間的一種微觀形貌觀察手段，可直接利用樣品表面材料的物質性能進行微觀成像。因此，為了直觀地觀察靜電紡絲納米纖維的纖維形態，同時觀察新制備的絲素蛋白的可紡性，對各種質量分數下的靜電紡絲納米纖維材料樣品表面噴金，以增加其導電性，然后放置在電鏡臺上，采用掃描電子顯微鏡觀察其表面形態，并得到樣品的電鏡圖，測試條件：恒溫20 ℃，濕度65%。

2? ? 結果與討論

紡絲液質量分數對紡絲過程和納米纖維形態有重要影響。為了研究探索本課題中再生絲素的制備，以便于對絲素的電紡工藝參數進行改進。選擇較低質量分數的溶液進行靜電紡絲。電紡SF的形態如圖1所示。電紡2%溶液時，珠絲共混。隨著溶液質量分數的增加，珠粒數減少，絲數增加。當溶液質量分數達到8%時，紡絲產品全部為絲。質量分數10%得到的納米纖維支架的直徑主要分布在100～300 nm，直徑200～250 nm的纖維接近40%。其平均孔徑達到5～6 μm和孔隙度為76%（支架孔隙度適合細胞滲透通常在60%～90%）。這種支架結構有利于纖維細胞的生長。因此，后期的納米纖維在組織工程中的應用可以選擇質量分數為10%的支架進行細胞培養。當然，孔徑的優化選擇還需要進一步研究。

3? ? 結語

利用靜電紡絲技術電紡絲素蛋白，獲得了靜電紡絲工藝參數，為絲素蛋白的納米纖維支架在組織工程上的應用創造了條件。靜電紡絲技術是目前最有效的制備納米纖維的方法之一，具有設備簡單、操作性強、高效等優點，但是當前的靜電紡絲技術還不成熟，諸如批量生產、纖維強力、高電壓生產等問題有待研究和解決。隨著生物技術的日新月異，靜電紡絲技術的不斷進步和發展，絲素蛋白納米纖維在生物醫學領域將會展現出更廣闊的應用前景。

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