纤维素纳米纤维增强丝素体系的相界面研究

陈 建，张 超，邵惠丽，胡学超，张耀鹏

(纤维材料改性国家重点实验室，东华大学材料科学与工程学院，上海 201620)

研究论文

纤维素纳米纤维增强丝素体系的相界面研究

陈 建，张 超，邵惠丽，胡学超，张耀鹏*

(纤维材料改性国家重点实验室，东华大学材料科学与工程学院，上海 201620)

以丝素蛋白为基体，以细菌纤维素纳米纤维束(BCNRs)为增强体，通过冷冻干燥制备出具有插层结构且力学性能显著增强的复合支架。通过同步辐射原位小角X-射线散射研究了BCNRs丝素蛋白混合溶液在剪切下的相界面结构变化，考察了两相之间的界面厚度和均方旋转半径变化过程，并通过软件模拟得到聚集体的三维结构变化，进而从微观角度探究其增强机理。

丝素蛋白 细菌纤维素 纳米纤维 小角X-射线散射 微观结构 相界面

丝素蛋白(SF)因具有良好的生物相容性、可控的降解性能、无免疫原性等成为制备组织工程支架的绝佳材料。SF同时具有较高的机械强度[1]，但是作为骨组织等硬组织修复支架材料，其机械强度仍不能满足医用要求。细菌纤维素(BC)是木醋杆菌等菌种发酵产生的纤维素纳米纤维。与其他植物纤维素相比，细菌纤维素具有高纯度、精细的纳米三维网状结构，良好的生物相容性，极高的结晶度和拉伸强度。但是作为组织修复支架，细菌纤维素纳米级的小孔径不利于细胞的迁移长入，进而限制了其进一步应用[2-5]。基于此，将细菌纤维素通过机械打碎制备成亚三维结构的纳米纤维束，然后将一定浓度的SF溶液与BCNRs混合，通过搅拌剪切将溶液混合均匀，经冷冻干燥可制备成力学性能显著增强的SF/BCNRs复合支架。本文通过研究复合支架的微观结构和两相之间的界面结构的变化，为了解BCNRs增强SF复合支架的机理奠定基础。

1 试 验

1.1 原料

家蚕茧，浙江省桐乡县；细菌纤维素，海南省椰国食品有限公司；碳酸钠，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；溴化锂，分析纯，上海市中锂实业有限公司；透析袋，截留分子量14 000±2 000，上海市源聚生物科技有限公司。

1.2 SF溶液的制备

将家蚕茧剪开后剥成薄片状，放于煮沸的质量分数为0.5%的NaCO3溶液中30 min脱胶，然后用去离子水洗净，之后再重复上述操作一次以确保脱胶干净，最后风干备用。配制9 mol/L的溴化锂溶液，恒温水浴40 ℃下溶解脱胶丝，随后离心、过滤，使用去离子水透析三天，最后将SF溶液浓缩到质量分数为12%。

1.3 BCNRs的制备

将细菌纤维素块体用0.5%的NaCO3溶液煮沸30 min以除去内部的菌体，然后用去离子水清洗浸泡至中性，用均质机(T18DS25，德国IKA公司)在10 000 r/min下将细菌纤维素块体破碎制备成均匀的BCNRs悬浮液，然后冷冻干燥制备成干态的BCNRs。

1.4 复合支架的制备

将浓度为12%的SF溶液和BCNRs按照10∶1的质量比混合，然后通过磁力搅拌器在1 000 r/min下将BCNRs均匀分散在SF溶液中(该溶液简记为S1)，在-25 ℃下预冷6 h，而后在-80 ℃下冷冻6 h，最后将冻实的溶液放在冷冻干燥机(FD-1A-50，北京博医康实验仪器有限公司)中处理24 h即得到所需要的支架(简记为S1支架)。未加BCNRs的纯SF溶液(该溶液简记为S0)按照上面的步骤也做成支架(简记为S0支架)作为空白对照。

1.5 分析测试

透射电镜(TEM)测试:将均质好的BCNRs用去离子水稀释至0.01 mg/ml，超声30 min使其在水中分散均匀，然后吸取少量溶液用铜网接收后在室温下烘干。采用日本电子株式会社的JEM-2100型透射电镜进行观察。使用Nano Measurer 1.2软件测量BCNRs的直径分布。

扫描电镜(SEM)测试：将冷冻干燥制备的SF/BCNRs复合支架放于体积分数为90%的乙醇中浸泡6 h以提高支架在水中的不溶性。烘干后将支架放在液氮中淬断，然后喷金处理，使用日本电子株式会社的JSM-5600LV型环境扫描电镜观察支架的断面微观形貌。

小角X-射线散射(SAXS)测试：在上海同步辐射光源小角散射线站(BL16B1)进行SAXS测试，X-射线的波长和光斑大小分别为0.124 nm和1 mm×1 mm，探测器的型号为Rayonix165型。静态测试时直接将少许溶液滴在表面包覆Kapton的金属垫圈里，然后将其置于样品测试架上进行测试。采用光学流变剪切台(Cryo-CSS450，英国Linkam科学仪器公司)进行溶液的原位剪切，曝光时间为30 s，每100 s采集一次数据，总剪切时间为600 s，样品到探测器的距离为5 003 mm，剪切速率为2 s-1。以去离子水的散射数据作为背景散射扣除背景，使用FIT2D软件进行数据处理。

2 结果与讨论

2.1 BCNRs的形貌

图1、图2为细菌纤维素纳米纤维素束形貌和直径统计。

图1 细菌纤维素纳米纤维素束形貌

细菌纤维素是一种具有精细三维网状结构的纳米纤维素，在均质机的高速剪切下其三维结构被破坏，形成一种具有亚三维结构的纳米束，如图1所示。从图2 BCNRs的直径分布直方图可以看到，其直径绝大多数分布在20～45 nm之间，分布范围较窄，而且从TEM图像中也可以观察到，BCNRs有枝杈状结构，这种枝杈结构相比于纤维短纤更有利于SF支架的增强。

图2 细菌纤维素纳米纤维素束直径统计

2.2 支架的微观形貌

图3为SF/BCNRs复合支架的SEM图。

图3 SF/BCNRs支架的SEM图

从SEM图片可以看出，纯的SF支架与加有BCNRs的复合支架都具有相似的片层结构，但是后者在片层之间形成了一道道“桥梁”连接。这种结构加强了片层之间的稳固性，防止材料在受力时出现应力集中，从而提高了支架的机械强度。而且这种结构直接增多了支架的可粘附位点，有利于接种细胞在支架上的迁移生长[6]。

2.3 SF/BCNRs混合溶液的界面相和聚集体结构分析

复合支架机械强度的大小很大程度上取决于两相界面的结合情况[7]。界面相是指连接SF与BCNRs的中间过渡区域，其对于复合材料的机械性能具有显著的影响[8]。如果复合支架的界面结合的越好，其机械强度越高。在制备支架的过程中，为了将BCNRs与SF溶液混合均匀，实验过程中采用了机械搅拌剪切对混合溶液进行处理。因此，有必要研究在剪切作用下SF/BCNRs混合溶液的界面相变化情况。

图4为SF/BCNRs溶液在剪切条件下的SAXS图、界面厚度和均方旋转半径。

图4 SF/BCNRs溶液在剪切条件下的SAXS图、界面厚度和均方旋转半径

从S1溶液的二维SAXS图(c)可以看出，在未剪切之前溶液表现出明显的各向同性，随着剪切作用的发生，从(d)～(f)谱图中可以看到溶液的各向异性开始显现出来。根据Porod公式，将(a)中0 s剪切的一维SAXS曲线计算得到图4(b)的ln[q4I(q)]-q2曲线，再通过线性拟合得到图4(b)中的红色曲线，则S1溶液的界面厚度ΔR(图4(g))可由经验公式求得[9-11]：

式中k为拟合直线的斜率，b为拟合直线在Y轴的截距(取绝对值)。

从图4(g)可以看到，溶液S1的界面厚度介于1.8～3.6 nm之间，随着剪切时间的进行逐渐减小。但是相比于剪切的初始阶段0～200 s，在200～400 s时S1溶液的界面厚度出现大幅度下降。这可能是由于在剪切的初始阶段，剪切作用可极大地促使两相均匀混合和接触，SF高分子链上的羟基，氨基和羧基与BCNRs上的大量羟基产生强烈的氢键作用[12]，这使得两相之间的界面厚度下降不多。随着剪切的进一步进行，高强度的剪切作用使SF开始变性，SF分子链开始从BCNRs表面剥离，界面厚度急剧下降。虽然剪切作用对于两相界面有一定的破坏作用，但可使两相混合更加均匀，从而减少所得支架的界面缺陷。因此，混合溶液的最佳搅拌时间为200 s左右。

SF的均方旋转半径(Rg)可以使用Guinier公式通过外推法得到，如图4(h)所示。由图可知，Rg随着剪切时间的增加而增加，这表明SF对于外界的机械扰动比较敏感，在剪切的作用下极易自组装成较大尺寸的聚集体。

图5为不同剪切时间下S0/S1溶液的三维聚集结构模拟图。(a～c)和(d～f)是由DAMMIN(ATSAS 5.3)与Pymol (Schrodinger 2009-2010)软件模拟S1和S0溶液在不同剪切时间得到的聚集体结构[13]。

图5 不同剪切时间下S0/S1溶液的三维聚集结构模拟图

从(a)和(d)可以看出，无剪切条件下，纯SF溶液S0和加入BCNRs的混合溶液S1的聚集体结构都是杂乱且无序的。当剪切时间为400 s时，两种溶液的聚集体结构开始变得密实，但有显著的区别：S0溶液的聚集态结构呈圆球状，而S1溶液的聚集态结构呈棒状。这可能是因为SF分子链是以BCNRs为晶核进行聚集的，SF通过氢键作用包覆在棒状的BCNRs的表面，从而形成棒状聚集体结构；而S0溶液中的SF分子链在剪切作用下自组装成类似球状聚集体结构[14]。

3 结 论

a) 细菌纤维素纳米束穿插在片层之间加固了片层之间牢固度，限制了支架在受力时片层之间的滑脱，同时起到分散应力的作用，防止应力集中导致的材料破坏失效。

b) 剪切作用对于SF/BCNRs溶液的界面厚度具有一定的破坏作用，但可以促进SF聚集体尺寸的增大，有利于SF与BCNRs两相之间的均匀混合。在剪切时间为200 s时，BCNRs可以很好地分散于SF溶液中，并与其形成较好的界面结构，有利于复合支架力学性能的提高。

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Interface of bacterial cellulose nanoribbon reinforced silk fibroin system

Chen Jian,Zhang Chao, Shao Huili, Hu Xuechao, Zhang Yaopeng*

(StateKeyLaboratoryforModificationofChemicalFibersandPolymerMaterials,ColleteofMaterialsScienceandEngineering,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

Bacterial cellulose nanoribbons (BCNRs) reinforced silk fibroin composite scaffolds with intercalation structure were prepared by lyophilization. The interface structure of the BCNRs/silk fibroin solution were studied by synchrotron radiation small angle X-ray scattering. Interface thickness and mean square radius of gyration were calculated, and the 3D structure was simulated to investigate the reinforcement mechanism from microscale.

silk fibroin; bacterial cellulose; nanofiber; SAXS; microstructure; phase interface

2016-11-18

国家自然科学基金(21674018)，中央高校基本科研业务费专项资金，东华大学励志计划( A201302)，上海市曙光人才计划(15SG30)。

陈建(1991-)，山东泰安人，在读硕士研究生，研究方向为生物质材料的加工和制备。

TQ352.1

A

1006-334X(2016)04-0013-04

*通讯作者：张耀鹏，zyp@dhu.edu.cn。