丝素蛋白/壳聚糖共混膜的制备及研究

阳辰峰，林海涛，凌新龙，陈铭远，赵心雨

（广西科技大学 生物与化学工程学院，广西 柳州 545006）

0 引言

丝素蛋白主要来源于蚕丝纤维，具备良好的生物相容性、生物稳定性以及可降解性[1-2]，同时也具备一定的力学性能和热稳定性能[3-4]。壳聚糖是甲壳素脱乙酰后的产物，具有良好的生物降解性、细胞亲和性和生物效应等许多独特的性质。

近年来，随着人造医用生物膜的需求增大，丝素蛋白医用膜材料得到了广泛的研究，被应用到药物载体、生物传感器、敷料等领域。Li 等[5]制备丝素蛋白/壳聚糖共混膜培养大鼠骨髓间充质干细胞，发现该材料不仅为大鼠骨髓间充质干细胞的生长和增殖提供了可比的环境，而且还促进了它们的成骨和成脂分化。薛豪杰[6]制备了低溶胀的丝素蛋白/壳聚糖膜，通过加入丝素蛋白去解决了壳聚糖膜的高溶胀性，并提高了共混膜的力学性能。Park 等[7]采用壳聚糖对桑蚕丝中的丝素蛋白膜进行改性，发现壳聚糖可以很好地提高复合膜的强度。

本研究通过研究壳聚糖与丝素蛋白成膜比例以及不同浓度壳聚糖膜的性能，找出性能相比更佳的丝素蛋白/壳聚糖共混膜，以克服纯丝素膜的缺陷。

1 实验材料及仪器

1.1 实验材料

实验材料有蚕茧（广西鹿寨县贵盛茧丝工贸有限公司）、无水碳酸钠（分析纯、国药集团化学试剂有限公司）、氯化钙（国药集团化学试剂有限公司）、无水乙醇（国药集团化学试剂有限公司）、壳聚糖（国药集团化学试剂有限公司）、聚乙二醇20000（化学纯、国药集团化学试剂有限公司）、去离子水（广西科技大学自制）等。

1.2 实验仪器

实验仪器有YB71 型旦尼尔电子天平（常州市幸运电子设备有限公司产）、SHA-C 水浴恒温振荡器（郑州生元仪器有限公司）、Y（B）802N 八篮恒温烘箱（温州大荣纺织仪器有限公司）、Nicolet5700 型红外光谱仪（美国热电尼高力仪器公司产）、S-570 型扫描电子显微镜（日本日立公司）、E44.204 微机控制电子万能试验机[美特斯工业系统（中国）有限公司]、X'Pert-Pro型全自动X-射线衍射仪（荷兰PANalytical 公司）等。

2 实验方法

2.1 脱胶

将蚕茧用去离子水冲洗3 次，清洗表面的灰尘与杂质。配置适量浓度为5g/L 的NaHCO3，将清洗干净的桑蚕茧按浴比1∶50 添加到溶液中，温度控制在100℃左右、脱胶时间30min 的条件下脱胶2～3 次，然后用去离子水清洗2～3 次，放入80℃的烘箱中干燥2h。

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2.2 丝素蛋白溶液的制备

本研究采用氯化钙—水—乙醇三元体系去溶解丝素蛋白。将丝素蛋白纤维溶解在摩尔比为1∶2∶8 的CaCl2∶CH3CH2OH∶H2O 三元溶液中，浴比为1∶10，于80℃水浴中搅拌溶解3h。待上述溶液冷却至室温后将其倒入透析袋中，置于自来水中透析一天，去离子水中透析2 天。透析结束后将溶液放入30%的聚乙二醇溶液中进行浓缩，然后在11000r/min 的条件下离心10min，所得上层清液即为丝素蛋白溶液。

2.3 壳聚糖溶液的制备

制备0.5mol/L 的乙酸溶液，将适量壳聚糖加入乙酸溶液中进行搅拌溶解，直至壳聚糖全部溶解。将混合溶液放入4℃冰箱冷藏消泡以备用。

2.4 丝素蛋白（SF）/壳聚糖（CS）复合膜的制备

将浓度为4%的丝素蛋白溶液与不同浓度1%、2%、3%、4%的壳聚糖按照不同的混合比例进行混合制备壳聚糖含量为3∶1、1∶1、1∶3 的共混膜，并制作纯丝素蛋白膜以及不同浓度纯壳聚糖膜作为对照。采用延流法铺膜，注意平整去泡，室温下自然风干两天，使其成膜。

3 测试表征

3.1 扫描电镜观察

将蚕丝样品贴于粘有导电胶的样品台上，喷金30s，然后采用Phenom Pro X 台式扫描电镜对样品进行形貌观察，测试电压为10.0kV。

用剪刀将样品剪成粉末状，采用X'Pert-Pro 型X射线衍射仪进行测试，其中，X 射线光源为CuK α 射线，电压40kV，电流25mA，扫描速度10°/min，扫描范围5°～50°。

3.3 红外光谱测试

用剪刀将样品剪成粉末状，取适量加入至KBr 粉末中，充分搅拌研磨后制成压片，采用Nicolet 5700 智能傅里叶红外光谱仪（FTIR）对其进行测试，范围为400～4000cm-1，分辨率为4cm-1，扫描次数为64 次。

3.4 力学性能测试

利用美特斯公司E44.204 微机控制电子万能试验机进行拉伸测试，将样品制成40mm×10mm 的长条，拉伸速度为20mm/min，每个样品测试10 组数据，得到样品薄膜的拉伸强力、断裂强度、模量和断裂伸长率的数据，再经过如下公式进行数据处理，计算出实际断裂强度，绘制出应力应变曲线。

断裂强力（MPa）=F/bd

式中，F-薄膜拉伸断裂强力，N

b-薄膜的有效宽度，mm

d-薄膜的有效厚度，mm

3.5 膜润湿性表征

采用接触角测量仪测试了SF/CS 复合膜的接触角。分别测量每个样品中5 个不同位置的接触角取平均值作为接触角。

4 实验结果与讨论

4.1 形貌观察

由图1 的a、b、c 和d 样可以看出，随着壳聚糖浓度的增加，3%、4%浓度的壳聚糖膜表面白色颗粒逐渐增多，表明随着壳聚糖浓度的增高，壳聚糖表面会变得粗糙，2%浓度CS 膜的均匀度较好；由e 样可以看出，SF 膜表面是相对光滑的；由图1 的f、g 和h 样可以看出，SF/CS 共混膜随着壳聚糖浓度的增加，在高比例的共混膜表面会出现白色壳聚糖颗粒，可能因为壳聚糖分布的不均匀性造成膜表面粗糙。

图1 不同浓度的壳聚糖（CS）膜、丝素蛋白（SF）膜以及SF/CS 膜电镜图 [a.1%cs、b.2%cs、c.3%cs、d.4%cs、e.SF、f.（CS/SF1∶3）、g.（CS/SF1∶1）、h.（CS/SF3∶1）]

4.2 润湿性表征

由图2 可以看出，CS 膜具有一定的亲水性，随着壳聚糖浓度的增加，壳聚糖膜的接触角先增大后减小，其中2%CS 膜接触角最大，达到86.103°；丝素膜的接触角为54.9°，具有优异的亲水性，说明在水环境中，丝素膜很容易水解，结构并不稳定；SF/CS 共混膜能够改善纯丝素膜的亲水性，随着壳聚糖含量的增加，共混膜的接触角得到了显著的提升，在2%CS∶SF 为1∶1时达到了74.478°，说明随着壳聚糖的加入能够有效地提高共混膜的疏水性，有效加强了共混膜在中性水环境下的结构稳定性。

图2 不同浓度的壳聚糖（CS）膜、丝素蛋白（SF）膜以及SF/CS 膜接触角图

4.3 结构组成分析

有研究表明[8-10]，丝素蛋白的结晶峰型主要有两种，一种为亚稳定结构的Silk Ⅰ结构，主要由α-螺旋组成，一种为结晶度较高的Silk Ⅱ结构，主要由β-折叠组成。由图3 可以看出，壳聚糖浓度的变化对于膜结构的影响不大，特征峰强度没有明显的变化，说明膜的结晶度不会随着浓度的变化而变化。由图可以看出，纯丝素膜在8.6°、22.6°、16.2°附近出现了属于SilkⅡ结构的衍射峰，在11.6°附近出现了属于Silk Ⅰ结构的衍射峰，但是衍射峰强度较弱，说明丝素蛋白膜主要是以无卷曲结构为主，存在有一定的α-螺旋结构和β-折叠结构。随着CS 含量的增加，SF/CS 共混膜的衍射曲线并未出现新的结晶峰，在8.6°、11.6°、16.2°的特征峰得到了增强，可能随着壳聚糖含量的增加能诱导丝素/壳聚糖共混膜中丝素结构从无规则卷曲向α-螺旋结构和β-折叠结构转变，也有可能只是二者峰型的叠加状态，说明在丝素蛋白中添加壳聚糖并不会引起晶型变化，两者具有良好的相容性以及稳定性。当SF与CS 比为1∶1 时两者的相容性达到最佳。

图3 不同浓度的壳聚糖（CS）膜、丝素蛋白（SF）膜以及SF/CS 膜XRD 图

4.4 力学性能分析

由表1 可知，SF 膜的断裂强度较小，断裂伸长率较小，但有良好的模量，具有良好的机械性能；CS 膜因结晶度较低，在外力作用下，分子间会产生相对滑移，具有较好的断裂伸长率，但也同时导致其模量的下降，强度最高为2%CS 膜，达到54.545MPa±1.515MPa；CS/SF 膜相对于SF 膜来说，力学性能得到了改善，机械性能得到了提升，断裂强度为52.133MPa±4.765MPa，断裂伸长率达到了8.640%左右。由图4 可以看出SF 膜具有较高的模量，CS 膜具有很好的屈服性，说明材料具有很好的弹性形变，加入CS 有效地改善了力学性能，力学性能的提升也进一步说明CS/SF共混膜结构的均匀性以及两种混合材料有着良好的相容性。

表1 不同材料的力学性能

图4 应力应变图

5 结语

5.1 在本研究对比试样中，壳聚糖浓度在2%时成膜效果最佳，其表面相对光滑，物质分散均匀，且具有较好的亲水性，接触角为86.103°。其力学性能最佳，断裂强度达到54.545±1.515/MPa，断裂伸长率达到87.310%左右。

5.2 在本研究对比试样中，在壳聚糖浓度为2%的前提下，SF∶CS 比例为1∶1 情况下性能最优：一是有效地改善纯SF 膜的易亲水性，接触角达到74.478°，有效加强了膜在中性水环境下的稳定性；二是改善了SF 膜较差的力学性能，断裂强度为52.133±4.765/MPa，断裂伸长率为8.640±0.451（%）。