[doc格式] 絲素蛋白在室溫離子液體中的溶解與再生性能研究

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1、絲素蛋白在室溫離子液體中的溶解與再生性能研究 助材料2008年第10期(39)卷 絲素蛋白在室溫離子液體中的溶解與再生性能研究 朱海霖,馮新星,陳建勇,郭玉海,張華鵬 (浙江理工大學”先進紡織材料與制備技術”教育部重點實驗室材料與紡織學院,浙江杭州310O18) 摘要:宣溫離子液體l一烯丙基一3一甲基氯代咪唑和 1一(2一羥乙基)一3一甲基氯代咪唑是絲素蛋白的新型良溶 劑.絲素蛋白在1一烯丙基-3-甲基氯代咪唑和1-(2-羥 乙基)一3一甲基氯代咪唑中的溶解度分別為14.5(質(zhì) 量分數(shù))(100℃)和8.0(質(zhì)量分數(shù))(80℃).向離子 液體絲素溶液中加入乙醇或正丁醇可

2、獲得再生絲素蛋 白.XRD和FT-Raman研究表明再生絲素蛋白膜的 構象主要是f}-折疊結構.TGA數(shù)據(jù)表明再生絲素蛋 白的熱穩(wěn)定性比天然絲素纖維有所降低,熱失重殘留 物有所增加.同時,機械性能和溶失率分析結果顯示 從離子液體中再生的絲素蛋白表現(xiàn)出良好的濕態(tài)機械 性能和優(yōu)異的穩(wěn)定性. 關鍵詞:絲素蛋白;室溫離子液體;溶解;再生 中圖分類號:0636.9文獻標識碼:A 文章編號:1001-9731(2008)10-1710-04 1引言 絲素蛋白是蠶絲的主要組成部分,約占總重量的 75,是一種天然的蛋白質(zhì).由于絲素蛋白具有良好 的生物相容性和優(yōu)異的物理,化學性質(zhì),近年

3、來有關絲 素在生物和醫(yī)學領域的開發(fā)和應用研究很活躍,如用 于固定化酶材料[1矗],組織工程材料[3棚,藥物控制釋放 材料[5],人工皮膚[7]等.天然絲素纖維含有大量分子 內(nèi)和分子間氫鍵,結晶度較高而難溶解于一般的溶劑. 目前常用的溶解體系是CaCI2-GH5OH-H20體系和 LiBr溶液.絲素經(jīng)混合溶劑溶解后需要進行耗時較 長的透析過程,而且得到的絲素水溶液容易凝膠化. 近年來,研究者開發(fā)了其它一些能夠溶解絲素纖維的 溶劑,如甲酸[8],六氟異丙醇[,六氟丙酮和N一甲基 嗎啉一N_氧化物一水和物[11]等,而這些溶劑或多或少存 在有毒害,不穩(wěn)定,不易回收,價格昂貴等缺

4、點. 室溫離子液體是完全由離子組成的液體,在室溫 和近乎子室溫呈液態(tài)的熔融鹽體系.它一般由含氮, 磷的有機陽離子與鹵素,四氟硼酸根等陰離子組成. 由于室溫離子液體具備強極性,不揮發(fā),毒性小,良好 的溶解性,易回收利用等特點,使其成為極具應用前景 的綠色環(huán)保型溶劑.最近,David等[12]發(fā)現(xiàn)1一丁基一3一 甲基咪唑氯代離子液體可以溶解絲素纖維,為絲素溶 劑體系的開發(fā)研究開辟了一個新領域. 合成了兩種室溫離子液體:1一烯丙基一3一甲基氯代 咪唑(~AMIM]CI)和I-(2-羥乙基-3-甲基氯代咪唑 ([HeMIM]CI),這兩種離子液體對絲素具有較好的溶 解能力.本文

5、通過將絲素/離子液體溶液浸漬在不同 溶劑中得到再生絲素膜,并對再生絲素膜結構與性能 進行了研究. 2實驗 2.1實驗材料與儀器 家蠶絲(浙江桐鄉(xiāng));N一甲基咪唑(江蘇鹽城藥物化 工廠,純度>99);烯丙基氯,羥乙基氯,無水乙醇,正 丁醇等均為進口或國產(chǎn)分析純試劑. 2.2室溫離子液體[AMIM]CI和[HeMIM]CI的合 成 分別按文獻[13,l4]制備了[AMIM]Cl和 [HeMIM]CI,并經(jīng)H—NMR確證. 2.3絲素在室溫離子液體中的溶解 將脫膠的絲纖維分別加入到[AMIM’]Cl和 [HeMIM]CI中,在8O～Ioo’C油浴中施以磁力攪拌.

6、溶解過程可用Leica-DMLP偏光顯微鏡觀察. 2.4絲素的再生與性能測試 將絲素/離子液體溶液均勻鋪在玻璃板上,分別用 乙醇和正丁醇浸泡30min.將再生的絲素膜取出,用 去離子水清洗干凈.將再生絲素在室溫下自然晾干, 可得到白色透明的再生絲素膜層. 2.4.1AFM測試 采用Digital公司的NanoScopeIlia原子力顯微 鏡,用標準硅探針輕敲模式對樣品成像. 2.4.2XRD測試 采用ARL-X’TRA型X射線衍射儀測定樣品的 XRD譜,在CuKa射線下,管電壓45kV,管電流 40mA,掃描速度為2./min,角度范圍為5～45.. 2.4.3拉曼測

7、試 采用Therm-Nicolet公司的FT-Raman960拉曼 光譜儀測定樣品的拉曼光譜. 2.4.4TGA測試 采用美國PE公司PyrisDiamondTGA熱重分析 儀測定樣品的熱學性能,N.保護,通氣速率為2O. Oml/min,升溫范圍50～7o0℃,升溫速率為10℃/ ? 基金項目:國家自然科學基金資助項目(50573068)I教育部博士點基金資助項目(20060338001)I浙江省自然科學基金資助項 目(Y405459) 收到初稿日期:2008-04一II收到修改稿日期:2008?07—31通訊作者:陳建勇 作者簡介:朱海霖(1978一),女,浙江桐鄉(xiāng)人

8、.講師,主要從事功能材料,生物材料研究. 朱海霖等:絲素蛋白在室溫離子液體中的溶解與再生性能研究 min,樣品質(zhì)量約為10mg. 2.4.5機械性能的測試 將絲素膜在水中浸泡24h后用Instron5543型電 子強力儀進行強力拉伸實驗(20℃),拉伸速率為 10mm/min,夾持長度為20mm. 2.4.6水溶失率測試 稱取干態(tài)絲素蛋白薄膜重量(w),將其浸入磷酸 鹽緩沖液(PBS)中,于37℃下放置1,5和10d取出,在 7O℃下干燥5h,稱取干燥后的絲素蛋白薄膜的重量 (W),按下式計算水溶失率(S): S():—~f)--—TJJ11O0 W 2.5離子液體

9、的再生 將混有離子液體的乙醇和正丁醇溶液置于旋轉蒸 發(fā)儀上,減壓蒸餾除去溶劑,可回收離子液體.回收的 離子液體可再次用于絲素的溶解,單次回收率為 9O. 3結果與討論 3.1[AMIM]CI和[HeMIM]CI對絲素的溶解性能 絲素在[AMIM]CI和[HeMIM]C1中的溶解可以 通過偏光顯微鏡觀察.在偏光顯微鏡下觀察到,脫膠 絲素纖維在室溫離子液體中首先發(fā)生溶脹,由絲素纖 維組成的集束結構逐漸變得松散.隨著溶解過程的繼 續(xù),絲素纖維逐漸變細變短,直至溶解.完全溶解時, 偏光顯微鏡下呈現(xiàn)黑場.研究發(fā)現(xiàn),溫度對絲素的溶 解有較大的影響.8O℃時,絲素在[AMIM]CI

10、中的溶 解度為9.1(質(zhì)量分數(shù)).當溫度升高至100℃時,絲 素的溶解度可達14.5(質(zhì)量分數(shù)).而對于 [HeMIM]CI,由于含羥基的季銨鹽對熱穩(wěn)定性比常規(guī) 季銨鹽要低[],雖然文獻E14-I報道[HeMIM]CI能在 90℃穩(wěn)定存在,但考慮到溫度超過90℃含羥基的季銨 鹽有可能發(fā)生分解,因此本文在用[HeMIM]Cl溶解 絲素時采用的溫度為8O℃,在此溫度下,絲素在 [HeMIM]CI中的溶解度為8(質(zhì)量分數(shù))左右. 3.2[AMIM]C1和[HeMIMJC1溶解絲素的機理探 討 文獻[12]報道絲素的溶解性與離子液體中的陰陽 離子都有關系.含Cl一的離子液體能夠

11、溶解絲素,而 含I一,B,A1CI7的離子液體則不能溶解絲素,其原 因可能是強氫鍵接受體Cl一可以破壞絲素分子內(nèi)或分 子間氫鍵,從而使絲素纖維溶解.圖1(a),(d)和(e)分 別為絲素纖維和溶解于兩種離子液體后絲素的XRD 譜圖.從圖1中可以看出((a)天然絲素纖維;(b)經(jīng)乙 醇再生的絲素膜;(c)經(jīng)正丁醇再生的絲素膜;(d)10 (質(zhì)量分數(shù))絲的素的[AMIM]C1離子液體溶液(從 100℃冷卻至25℃);(e)8(質(zhì)量分數(shù))絲素的 [HeMIM]CI離子液體溶液(從100℃冷卻至25℃)), 絲素纖維在2O和24.(2)分別出現(xiàn)一個強衍射峰和一 個較弱的衍射峰,這

12、兩個衍射峰是SilkⅡ(B-折疊)的 特征峰,表明絲素纖維主要為p一折疊構象[1引.而絲素 溶于離子液體后的衍射圖譜與未溶解的絲素纖維截然 不同,是一個寬的非晶衍射峰,說明離子液體能夠破壞 絲素的結晶結構,絲素在離子液體中主要以非晶態(tài)(無 規(guī)卷曲形態(tài))存在. 圖1X射線衍射圖 Fig1XRDpatterns 3.3再生絲素膜的結構 由于甲醇和乙腈能與室溫離子液體互溶,文獻 [123采用這兩種溶劑作為絲素的再生試劑.考慮到甲 醇和乙腈毒性較大,本文嘗試采用低毒性的乙醇和正 丁醇作為再生試劑.圖2為再生絲素膜的表面AFM 照片.從圖2可以看出,經(jīng)乙醇和正丁醇固化的再生

13、絲素膜表面平坦均勻.一般認為絲素蛋白有兩種結晶 結構,即SilkI和SilkII.SilkI的主要構象是a一螺 旋,衍射峰在20=12.2和28.2.處;而SilkⅡ(B一折疊) 的主要衍射峰在28=18.9,20.7和24.O.處【1”.圖1 (b)和(c)為再生絲素膜的XRD譜圖.從圖2中可以 看出,經(jīng)乙醇和正丁醇處理的再生絲素蛋白膜在2O和 24.存在特征峰,顯示出與絲素纖維相同的特征峰,說 明乙醇和正丁醇的加入引起了絲素從無規(guī)卷曲構象向 B一折疊構象的轉變. lallb】 圖2再生絲素膜的AFM圖 Fig2AFMsurfaceimagesoftheregenera

14、tedsilkfi— broinfilmrinsedwithethanolandn—butanol FT-Raman光譜法是測定絲素蛋白構象的常用方 法之一.根據(jù)報道,絲素f}.折疊構象的拉曼特征峰在 1084,1229和1670cm.1附近,而無規(guī)卷曲和a一螺旋構 象的特征峰在1245,1270和1645cmI1附近[1.圖3 為再生絲素膜和絲素纖維的拉曼光譜圖.從圖3中可 以看出,再生絲素膜的拉曼特征吸收峰與絲素纖維的 特征峰類似,均出現(xiàn)于1084,1229和1670cm-1附近, 說明再生絲素膜的主要構象為折疊,拉曼光譜測定 的結果與XRD結果一致. 助能材(39)

15、卷 圖3絲纖維與再生絲素膜的拉曼光譜圖 Fig3FT-Ramanspectraofthesilkfiber,theregener— atedsilkfibroinfilmrinsedwithethanolandn- butanol 3.4再生絲素膜的TGA和DTG分析 絲素纖維和再生絲素膜的TGA(圖4)和DTG曲 線(圖5)上都有1個明顯的熱轉變區(qū)域(300℃左右). 如圖4,5所示,加熱到100℃,絲素纖維和再生絲素膜 失重為8左右,可歸結為吸附微量水的脫附【1婦;從 29O～500℃,絲素纖維和再生絲素膜失重為60左 右,主要是絲素分子間側鏈受到破壞引起的[2.從圖

16、 中可以看出,再生絲素膜的最大熱分解溫度較天然絲 素纖維有所降低,一定程度上反映了其熱穩(wěn)定性略有 降低.原因可能是天然絲素纖維分子量大,結晶度較 高,而從兩種室溫離子液體中得到的再生絲素由于溶 劑的作用,部分分子鏈斷裂,使得分子量比天然絲素纖 維的分子量有所降低.同時,再生絲素膜熱分解殘留 物較天然絲素纖維要多,但不同的離子液體對絲素的 熱分解殘留量無影響. Tempera~re/*C 圖4絲纖維與再生絲素膜的TG曲線圖 Fig4Thermogravimetriccurvesofthesilkfiber,the silkfibroinregeneratedfrom[AM

17、IM]CIand [HeMIM]CI Temperat~m/’C 圖5絲纖維與再生絲素的DTG曲線圖 Fig5DTGcurvesofthesilkfiber,thesilkfibroinre— generatedfrom[AMIMJC1and[HeMIM]CI 3.5再生絲素的機械性能和穩(wěn)定性 機械性能和在水中的穩(wěn)定性是決定材料應用的關 鍵因素.由于生物材料基本都是在濕態(tài)條件下使用, 因此在本實驗中,機械拉伸曲線也是在濕態(tài)條件下測 得的.表1顯示了從兩種離子液體中再生的絲素膜的 濕態(tài)機械拉伸強度. 表1再生絲素膜的機械強度 Table1Mechanicalproper

18、tiesoftheregeneratedsilkfibroinfilms(N=3.Mean+SD) TensilestrengthElongationatbreak (MPa)() Theregeneratedsilkfibroinfilmrinsed 17.0士2.1l1.5士1.7 withethanol(solvent:[AMIM]C1) Theregeneratedsilkfibroinfilmrinsed 18.3士2.51O.1士1.5 withethanol(solvent:[HeMIM]CI) Theregeneratedsilkfibroinfilmrins

19、ed 15.9士1.41O.9士1.1 withn-butanol(solvent:[AMIM]C1) Theregeneratedsilkfibroinfilmrinsed 15.1士1.81O.6士1.0 withrrbutanol(solvent:[HeMIM]CD 結果表明,用乙醇作為凝固浴得到的再生絲素膜 的拉伸強度比用正丁醇作凝固浴的再生絲素膜略大一 些,而兩者的斷裂伸長率則比較接近.與Haeyong報 道的[2I]絲素蛋白水溶液中再生的絲素膜相比,從離子 液體中再生的絲素膜拉伸強度要優(yōu)于從水溶液中再生 的絲素膜(機械強度4.5MPa.斷裂伸長率為1O),而

20、 斷裂伸長率則相差不大.說明從離子液體中再生的絲 素具有良好的濕態(tài)機械強度,適合用于生物材料. 實驗中材料在水中的穩(wěn)定性通過測定再生絲素膜 在PBS緩沖液中的溶失率來表征.經(jīng)乙醇固化的再生 絲素膜在PBS緩沖液中浸泡1,5和10d的溶失率分別 為2.8,2.0和2.2I而經(jīng)正丁醇固化的再生絲素 膜的溶螺旋romol,2001,29:9197? 和無規(guī)構象易于在水中溶解,所以再生絲素膜較小的[9]ZhaoC,YaoJM,MasudaH?etal?[J].Biopolymers, 水溶失率應該折疊構象導致的結果.[10] H.Zha0C’eta1.[J].M.romolecuIe

21、s, 4結論2002,35:6-9. [11]FreddiG,PessinaG,TsukadaM.rJ].IntJBioMacro, 研究合成的兩種室溫離子液體[AMIM]C1和1999,24:251—263. [HeMIM]CI均為絲素蛋白的新型良溶劑.向絲素/離[121Da,,idMP,LaweceFD,DebohGC,eta1.[J].JAm 子液體溶液中加入乙醇或正丁醇可獲得再生絲素蛋chemSoc2004,126:14350—14351. 白.XRD和FT—Raman研究表明再生絲素蛋白膜的[13]任強.武進.張軍,等.[J].高分子,2003,3: 構象主要是口一折疊

22、結構.再生絲素膜的熱穩(wěn)定性比天448—450? 然絲素略有降低,但熱分解殘留物較天然絲素纖維要[141BrancoLc,RosaJN,MouraRamosJJ,etal?[J].Chem 多.由于再生絲素蛋白膜的構象主要是f}_折疊結構,,E”J,200,8~3671-.? 因此表現(xiàn)出良好的機械強度和優(yōu)異的穩(wěn)性.[1引 fer Deh c mlow ly E i.Be hml i ow g; S ch S . , m H i eX l a1. y P P h 瑚 ase . 參考文獻:[16]YasutomoN,Yoshihar

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27、i—TechUniversity,Hangzhou310018,China) Abstract:Twonovelroom-temperatureionicliquid,1-allyl一3一methylimidazoliumchloride[AMIM]CIand1一(2一 hydroxylethy1)一3一methylimidazoliumchloride[HeMIM]C1werefoundtobetheexcellentsolventsforsilkfi- broin.Thesolubilityofsilkfibroinin[AMIM]CIand[HeMIM]C1were14.5wt(1

28、00℃)and8.0wt0A (80℃)?respectively.Theregeneratedsilkfibroinfilmwasobtainedbyrinsingwitheitherethanolorn-Butano1. TheresultsofXRDandFT-Ramanindicatedthatb—sheetcrystalexistedinfibroinfilm.Comparedtococoonsilk fiber,theregeneratedsilkfibroinfilmshowedlowerthermalstabilityandmuchmoreresiduesofthermaldecom— position.Furthermore,theresultsofmechanicalexperimentandwater—solubilityshowedtheregeneratedsilkfi— broinfilmhadgoodmechanicalpropertiesandwasalmostinsoluble. Keywords:silkfibroin;room-temperatureionicliquid;dissolution;regeneration