新型絲素復(fù)合膜的微結(jié)構(gòu)表征及熱穩(wěn)定性

李瑩瑩，鄧謙謙，劉浩，劉其春，顧正桂，王昉

（1 南京師范大學分析測試中心，江蘇南京210023； 2 南京師范大學化學與材料科學學院，江蘇南京210023）

引 言

絲素是從天然蠶絲中提取的高分子蛋白,它富含18 種氨基酸, 具有獨特的分子結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的生物相容性，有利于細胞的黏附和生長，是組織工程、藥物緩釋等生物醫(yī)藥材料的理想素材，具有巨大的應(yīng)用潛力[1-4]。不過，再生絲素蛋白材料具有力學性能較低且極易水解等不足。因此，人們通過不同途徑，試圖對其進行共聚或共混改性，克服和改善材料的不良性能,拓展其應(yīng)用范圍，獲得具有不同屬性的能夠滿足不同用途的絲素蛋白復(fù)合材料[5-6]。王利君等[7]制備出不同質(zhì)量比的聚乳酸-聚己內(nèi)酯/絲素蛋白復(fù)合納米纖維膜支架。研究結(jié)果顯示：隨著復(fù)合納米纖維膜中絲素含量的增加，納米纖維膜的孔隙率和吸附性降低，親水性和生物相容性增加，有利于細胞的黏附和增殖。肖紅偉等[8]以六氟異丙醇為共溶劑，制備了聚乳酸-乙醇酸共聚物/絲素蛋白共混納米纖維多孔膜，其共混多孔膜中纖維直徑隨絲素的加入逐漸降低，均勻性變好；但當絲素含量超過40%時，共混多孔膜的力學性能下降；另外發(fā)現(xiàn)，絲素的加入能夠顯著改變共混多孔膜的親水性和生物相容性。Zhang 等[9]將氧化石墨烯添加到再生絲素蛋白水溶液中進行共混紡絲，他們認為氧化石墨烯的加入可以增強其力學性能；并且隨著晶體比例的逐漸增加，復(fù)合材料的應(yīng)變率從5%增加到18%，表明其復(fù)合材料的拉伸強度也與兩者的結(jié)晶狀態(tài)有關(guān)。Suzuki 等[10]將絲素溶液與分子量為300 的聚乙二醇混合，并通過京尼平制備得到復(fù)合絲素蛋白膜。在與非處理膜的對比中發(fā)現(xiàn)，復(fù)合膜的力學性能有著明顯提升，并在人類角膜緣上皮細胞的原代培養(yǎng)中體現(xiàn)了良好的生物相容性。

人工合成高分子材料聚乳酸（PLA）具有優(yōu)良的物理性能，它是脂肪族聚酯的重要成員之一，通過來源于甜菜、玉米淀粉等可再生綠色資源中的乳酸聚合而獲得，在體內(nèi)可直接降解成水和二氧化碳[11-12]。本文將絲素蛋白與聚乳酸物理-共混得到不同比例的復(fù)合多孔膜材料。借助掃描電子顯微鏡(SEM)、傅里葉紅外光譜(FTIR) 、拉曼光譜(Raman)和X 射線衍射(XRD)，以及差示掃描量熱（DSC、SSDSC）技術(shù)觀察材料的表面形貌和微結(jié)構(gòu)，測試其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、比熱容和熱焓等熱力學參數(shù)，探討兩相間的相互作用機理和熱穩(wěn)定性。本研究的體系可應(yīng)用于織物改性添加劑、骨修復(fù)支架材料、人造骨折內(nèi)固定材料、藥物緩釋載體、抗血凝性材料、固定化酶載體材料、美容產(chǎn)品助劑等，同時，也為絲素蛋白及其復(fù)合材料的制備與性質(zhì)研究提供有益的信息，對促進綠色天然可降解材料的實際利用，具有重要的理論指導與實踐意義。

1 實驗部分

1.1 桑蠶絲素蛋白/聚乳酸復(fù)合膜的制備

稱取一定等質(zhì)量的脫膠中國桑蠶家蠶絲（ChinaBombyxmori，MSF，丹東七月貿(mào)易有限公司）和聚乳酸（左旋，PLLA，深圳易生新材料有限公司）以0∶5,1∶5,5∶5,5∶1,5∶0 質(zhì)量比分別溶解到4.00%（質(zhì)量）的氯化鈣-甲酸溶液和二氯甲烷溶液中，配制成8.00%（質(zhì)量）的絲素蛋白溶液和3.00%（質(zhì)量）的聚乳酸二氯甲烷溶液。將上述兩種溶液共混后，澆鑄在聚四氟乙烯長方形模具中，真空干燥48 h，獲得絲素蛋白/聚乳酸復(fù)合膜（MSF/PLA）。本文將著重于結(jié)構(gòu)表征，力學與降解性能測試將在后續(xù)文中詳細描述和分析。本文分別用MSF/PLA-0∶5，MSF/PLA-1∶5，MSF/PLA-5∶5，MSF/PLA-5∶1 和MSF/PLA-5∶0 表示比例為0∶5，1∶5，5∶5，5∶1，5∶0 的絲素蛋白/聚乳酸復(fù)合膜。

1.2 結(jié)構(gòu)表征及性能測試

掃描電子顯微鏡（SEM）測試采用日本JEOL 公司JSM-7600F 型掃描電子顯微鏡：先將樣品放置在濺射儀中噴金，設(shè)置電流為20 mA，每個面分別鍍?nèi)?，每?0 s。SEM 的工作電壓10 kV，工作距離15 mm。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析采用美國Thermo Nicolet 公司NEXUS-670 型傅里葉變換紅外光譜儀：將樣品直接放在Ge 晶體上，旋轉(zhuǎn)OMNI 采樣器固定鈕，壓住樣品，利用單反射ATR-OMNI 采樣器進行信號收集，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為32次，光譜范圍為1750～1450 cm-1進行紅外光譜測定。激光拉曼光譜(Raman) 分析采用HR800 法國JY 儀器：選取激發(fā)光源為氦氖激光器，激發(fā)波長為735 nm，激發(fā)功率為6 mW，分辨率為4 cm-1，積分時間為10 s，掃描范圍：650～2000 cm-1進行拉曼光譜的測定。X 射線衍射（XRD）分析采用日本理學公司D/max2500VL/PC 型X 射線粉末衍射儀：使用CuKα輻射，管壓為40 kV，管流為200 mA，衍射角2θ范圍為：5°～50°，掃描速度5(°)·min-1條件下進行測試。差示掃描量熱(DSC) 分析采用美國Perkin-Elmer 公司Diamond DSC 型差示掃描量熱儀（StepScan DSC）：從25℃以5℃·min-1的升溫速率，每升高1℃等溫1 min，步進式升溫至220℃。熱重（TG）測試采用美國Perkin-Elmer 公司Pyris 1 TGA 型熱重分析儀。氮氣作為保護氣，氮氣流速為50 ml·min-1，以10℃·min-1的升溫速率將樣品由室溫加熱到500℃。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合膜的形貌分析

復(fù)合膜的SEM 形貌如圖1 所示，上層圖a、b、c、d、e 對應(yīng)于桑蠶絲素蛋白/聚乳酸復(fù)合質(zhì)量比為0∶5，1∶5，5∶5，5∶1 和5∶0 的混合溶液圖，下層圖a'、b'、c'、d'、e'是對應(yīng)共混比例的復(fù)合膜的電鏡圖。圖1a'顯示純的聚乳酸材料膜表面呈現(xiàn)出大小均勻分布的孔洞。同時，可以看到孔與孔的連接處有致密的顆粒結(jié)構(gòu)，可能為球晶形態(tài)的PLA[13]；當絲素蛋白含量增加，與聚乳酸的質(zhì)量比變?yōu)?∶5時，復(fù)合材料的表面的多孔開始變小(圖1b')，同時，孔洞變成有規(guī)則的圓形凸凹結(jié)構(gòu)，桑蠶絲素蛋白與聚乳酸之間發(fā)生了相互作用。隨著絲素蛋白含量的繼續(xù)增加，樣品表面的圓形凸凹分布變得均勻（圖1c'，MSF/PLA-5∶5）。當復(fù)合材料中絲素蛋白含量比例大于聚乳酸時，膜表面逐漸變得均勻和平整(圖1d')。這是因為氯化鈣溶劑與桑蠶絲素蛋白中絡(luò)氨酸殘基酚羥基鄰位上的氫發(fā)生交換，并破壞了鏈間的共價鍵[14]，從而使絲素更易與聚乳酸發(fā)生作用。圖1e'是純絲素蛋白膜的電鏡圖，膜表面平整和光滑，顯示其特有的表觀形貌。

2.2 復(fù)合膜的微結(jié)構(gòu)表征

圖1 不同質(zhì)量比例制備的MSF/PLA復(fù)合膜的電鏡圖（上層圖a～e分別表示絲素蛋白/聚乳酸混合溶液，MSF/PLA-0∶5，MSF/PLA-1∶5，MSF/PLA-5∶5，MSF/PLA-5∶1和MSF/PLA-5∶0；下層圖a'～e'分別是對應(yīng)比例絲素聚乳酸復(fù)合膜電鏡圖）Fig.1 SEM of MSF/PLA composite film prepared with different mass ratios(The upper layer a—e are silk fibroin/polylactic acid mixed solution,MSF/PLA-0∶5,MSF/PLA-1∶5,MSF/PLA-5∶5,MSF/PLA-5∶1 and MSF/PLA-5∶0,respectively;The lower layer a'—e'are SEM images corresponding to the ratio of the silk fibroin and polylactic acid composite films,respectively)

圖2 不同質(zhì)量比例MSF/PLA復(fù)合膜的紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectra of MSF/PLA composite films with different mass ratios

表1 復(fù)合材料中桑蠶絲素蛋白各組分含量Table 1 Contents of silk fibroin protein in composite materials

圖3 不同質(zhì)量比例的MSF/PLA復(fù)合膜的激光拉曼譜圖Fig.3 Raman spectra of MSF/PLA composite films with different mass ratios

圖4 不同質(zhì)量比例的MSF/PLA復(fù)合膜的XRD譜圖Fig.4 XRD spectra of MSF/PLA composite films with different mass ratios

2.2.2 相態(tài)組分含量分析 圖4 為絲素/聚乳酸及其復(fù)合膜的XRD 譜圖，可以看出，純PLA 樣品在一個寬而廣的非晶態(tài)彌散峰上具有兩個尖銳峰，約16.7° (200/100)處衍射峰較強，約18.9° (203)處的衍射峰較弱，這是聚乳酸的α晶型的特征峰[29-31]。當絲素蛋白在復(fù)合材料中的比例逐漸增加時，對應(yīng)的衍射峰強度逐漸減弱，表明復(fù)合材料的結(jié)晶度不斷降低。XRD譜圖顯示約在2θ=16.7°處顯示最大吸收強度，這是聚乳酸的正交晶體(200) 和(110) 面的衍射，是聚乳酸樣品中α晶型的主要結(jié)構(gòu)[32-33]。加入絲素蛋白后復(fù)合材料在16.7°附近尖銳的XRD 衍射峰明顯降低。在2θ=18.9°處可以觀察到小的衍射(如圖4 所示)，其對應(yīng)于(203)平面[31]。這些峰的反射指數(shù)也降低，預(yù)示著純聚乳酸樣品中穩(wěn)定的α-晶體隨著絲素蛋白的加入而減少[34]。這些相，包括結(jié)晶相(XC)、移動無定形相(XMAP)和剛性無定形相(XRAP)均可以在聚乳酸中共存。為了精確計算出復(fù)合材料中聚乳酸的晶型結(jié)構(gòu)變化，對測得的XRD 曲線進行分峰擬合計算，其結(jié)果列于表2 中。其中，聚乳酸樣品中移動無定形相(XMAP) 含量最高為59%；隨著絲素蛋白的加入，復(fù)合材料中聚乳酸的結(jié)晶相(XC) 含量逐漸降低，剛性無定形相(XRAP) 的含量逐漸增加：MSF/PLA-5∶1 的結(jié)晶度比MSF/PLA-0∶5 樣品低23%，剛性無定形相的相對含量(XRAP)提高了8%。

升溫過程中，半結(jié)晶高分子材料由原始的固態(tài)向流動的液態(tài)轉(zhuǎn)變時，其比熱容會發(fā)生不連續(xù)的突變，這個突變區(qū)域被認為是玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域，這個突變區(qū)域的中點溫度為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。圖5是由SSDSC 得到的MSF/PLA-1∶5 復(fù)合材料的可逆比熱容曲線。在升溫過程中的比熱容都有明顯的不連續(xù)突變，即都出現(xiàn)了玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域；此外，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度隨著絲素蛋白在復(fù)合材料中比例的增大而增大；熔融溫度和熔融焓變隨著絲素蛋白在復(fù)合材料中比例的增大而減小，其結(jié)果列于表2。由DSC 曲線所測的比熱容增量、熱焓值，依據(jù)文獻[35-36]所述方法，計算出復(fù)合材料的結(jié)晶度(XC)、移動無定形相(XMAP) 、剛性無定形相（XRAP）含量列于表2，復(fù)合材料的結(jié)晶度隨絲素蛋白比例的增大而降低。其中，PLA 樣品中無定形相含量最高為63%；隨著絲素蛋白的加入，復(fù)合材料中聚乳酸的結(jié)晶相含量逐漸降低，剛性無定形相的含量逐漸增加：當MSF/PLA 共混比例為5∶1 時，其結(jié)晶度(XC)比純聚乳酸（MSF/PLA-0∶5）樣品低22%，剛性無定形相的相對含量比純聚乳酸（MSF/PLA-0∶5）樣品高12%。該變化趨勢與上述XRD 的分析結(jié)果一致，說明加入絲素蛋白之后，復(fù)合材料中的結(jié)晶度有所降低，而無定形相的含量增加；剛性無定形相含量的增加使得復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度提高。

圖5 MSF/PLA-1∶5復(fù)合膜的SSDSC可逆比熱容曲線Fig.5 SSDSC reversible specific heat curve of MSF/PLA-1∶5 composite film

表2 復(fù)合膜的熱力學參數(shù)、相態(tài)的相對含量以及TG數(shù)據(jù)Table 2 Thermodynamic parameters，phase component content and TG data of composite film

圖6 MSF/PLA復(fù)合材料的熱重曲線Fig.6 Thermogravimetric curve of MSF/PLA composite material

綜上所述，當絲素蛋白與左旋聚乳酸共混，聚乳酸鏈段上的碳氧雙鍵與絲素上酰胺基團相互作用，形成了新的氫鍵，分子間也存在有疏水和靜電作用。同時，材料的二級結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生了改變。隨著絲素蛋白含量的增加，材料表面逐步變得光滑，復(fù)合材料中β-折疊和剛性無定形相含量增加，材料結(jié)構(gòu)的改變會影響其物性，因此，復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度也隨之提高。但由于絲素蛋白含水量高，易分解，所以復(fù)合材料的穩(wěn)定性并未提高。有趣的是，隨著半結(jié)晶左旋聚乳酸含量的增加，復(fù)合材料的結(jié)晶度增加，其熔點也隨之提高，從而使得材料的熱穩(wěn)定性提高。另外，絲素/聚乳酸復(fù)合膜的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也使得復(fù)合材料比光滑的純絲素更具穩(wěn)定性。由此可見，絲素與聚乳酸的不同共混比例，會導致復(fù)合膜材料的表觀形態(tài)、微結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性的差異；當兩相材料發(fā)生相互作用時，含量多的組分性質(zhì)會起主導作用。因此，可以利用材料結(jié)構(gòu)和性能的差異制備成各種用途的器件。例如熱穩(wěn)定好的用于制成骨修復(fù)支架，無定相態(tài)含量多的可以用于藥物緩釋載體。

3 結(jié) 論

通過物理共混法制備了不同質(zhì)量比例的蠶絲素蛋白/聚乳酸復(fù)合膜。（1）隨著復(fù)合膜中絲素蛋白含量逐漸增加，材料表面多孔連接處呈現(xiàn)有規(guī)則的圓形凸凹結(jié)構(gòu)，且絲素含量越多，膜表面越光滑；（2）復(fù)合膜內(nèi)部分子間存在相互作用，形成氫鍵；（3）隨著絲素蛋白在復(fù)合膜中含量的增多，材料熔融溫度和結(jié)晶度逐漸降低，剛性無定形相含量的增加促使其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度提高。聚乳酸的加入有助于提高絲素復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性。本研究在分子層面上初步論述了絲素蛋白與聚乳酸復(fù)合膜微結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性能以及它們之間的關(guān)聯(lián)性，更多內(nèi)容有待后續(xù)進一步詳細研究。