高通透性丝素蛋白水凝胶膜的制备与性能研究

吴美玲 张 悦 饶 婷 朱聪聪 左保齐

（苏州大学纺织与服装工程学院 江苏 苏州 215021）

蚕丝是由丝胶和丝素组成的，丝素约占75%，丝胶约占25%[1]。丝素蛋白作为蚕丝主要的组成部分，是目前广大学者们的研究热点之一。随着对其独特氨基酸成分、结晶结构和理化性能研究的深入，国内外对丝素的应用正从传统的纺织领域积极地向生物医药、化妆品、食品等诸多先进领域拓展[2]。此外，丝素蛋白通过不同加工方法，可以被制备成水凝胶、凝胶膜等不同形式的再生丝素蛋白材料，丝素蛋白水凝胶膜是最为常见的丝素蛋白材料之一，应用前景广阔。

本文中采用酸/盐法溶解制备丝素蛋白水凝胶膜，通过对不同浓度氯化钙制备出来的凝胶膜的性能进行测试分析，得出不同浓度的氯化钙对丝素蛋白水凝胶膜的结构性能影响，从而得出要制备出高通透性丝素蛋白水凝胶膜所需的最适氯化钙浓度。

1 丝素蛋白水凝胶

由于丝素蛋白水凝胶具有优异的力学性能、生物相容性、可生物降解性和透气透氧性[2]，近年来，水凝胶材料在生物医学等领域异军突起,受到国内外研究者的青睐[3]。

1.1 水凝胶的结构与性能

丝素蛋白水凝胶是一种具有高保水、高吸水性能的三维网络聚合物[3]，有网络和海绵一样的结构[4]，兼具大量的疏水基团及亲水残基[3]。其内部的交联网状结构使得其能吸收并保有大量水分[5]，与人体内的液体环境极为吻合[3]。当被加工成不同形状时，可以应用于不同方面，最常用于生物医学、组织工程等多个领域[6]。

1.2 凝胶机理

在一定条件下，再生丝素蛋白由于亲疏水、氢键、静电等多种因素共同作用会发生凝胶化，在这个过程中，其分子结构由无规卷曲转变为β-折叠结构[7]，形成的是网状结构。该过程受诸多因素的影响，如丝素浓度、凝胶温度、pH值、外力、剪切作用和表面活性剂等[5]，但蛋白质形成凝胶的过程主要是涉及氢键、亲疏水性相互作用和静电相互作用[4]。通过控制这些因素，可以获得不同性质的丝素蛋白水凝胶[5]。

2 丝素蛋白水凝胶膜的制备

2.1 实验材料与仪器

实验材料：

桑蚕丝 无水碳酸钠 无水氯化钙 甲酸（98%）去离子水

实验仪器：

电子称 恒温恒湿箱 磁力搅拌器 聚苯乙烯皿玻璃棒 高压锅

通风橱 烧杯若干 滤网 漏斗 吸管 镊子 剪刀 游标卡尺

2.2 实验部分

2.2.1 脱胶

称取180克的桑蚕丝，在浴比为1∶40、温度为

100℃、碳酸钠浓度为0.05wt%的条件下对桑蚕丝脱胶，脱胶时间30分钟，取出桑蚕丝后置于50-60℃的去离子水中洗涤[1]。重新配置碳酸钠溶液和去离子水，在相同条件下重复进行两次脱胶洗涤，将三次脱胶后得到的丝素在烘箱中烘干备用。称量最终得到的丝素质量，计算出脱胶率。

2.2.2 溶液制备

在室温下，将质量分别为2g、4g、6g、8g、10g的无水氯化钙溶解于浓度为98%的甲酸溶液中，磁力搅拌约30分钟使氯化钙充分溶于甲酸。用电子称称取五份烘干后的丝素，每份8g。再将每份丝素纤维溶于不同浓度的甲酸/氯化钙溶液中，放置磁力搅拌器上搅拌四小时，充分搅拌后得到丝素溶液。获得的丝素溶液中，丝素浓度均为8wt%，氯化钙浓度分别为2wt%、4wt%、6wt%、8wt%、10wt%。

2.2.3 成膜

将丝素溶液经滤网充分过滤，然后将其倒在聚苯乙烯皿中，每份丝素溶液平均倒入6个聚苯乙烯皿（直径15cm），为尽量使丝素溶液均匀地平铺到皿中，采用将皿放在水面上的方式。然后将装有丝素溶液的皿放在通风橱中，室温状态下干燥，待甲酸完全挥发后，在去离子水中透析，约12小时后取出。在不附加外力的情况下将膜从聚苯乙烯皿中取下并利用皿压膜，以防止膜卷缩。待膜半干半湿状态下，将膜揭下放入自封袋中，室温下自然晾干获得较均匀平整的膜，以供后面实验中性能测试时使用。

3 丝素蛋白水凝胶膜的性能研究

利用酸/盐溶解丝素蛋白的方式，通过改变CaCl2浓度可制备具有不同结构和性能的水凝胶膜。为了选取性能优异的膜进行应用探索，对制得的膜进行了拉伸材料测试、X射线衍射（XRD）、红外光谱测试（FTIR）、酶标仪测试等，通过分析测试得到的数据，对不同浓度氯化钙所制得的丝素蛋白水凝胶膜的力学性能、结晶结构、分子构象、透光性等进行分析，探讨盐浓度对水凝胶膜的结构性能的影响。综合评估后，可得出制备高通透性丝素蛋白水凝胶膜所需的最佳CaCl2浓度。

3.1 力学性能分析

3.1.1 实验方法

将湿态下的膜剪为50×50mm的样品，用Instron3365万能材料试验仪测定其在湿态下的断裂应力、断裂应变等力学性能指标。测试时，夹持距离为20mm，夹持器拉伸速度为10mm/min，预加张力为0.2cN。

3.1.2 测试结果与分析

图1为不同的CaCl2浓度下制备的丝素蛋白水凝胶膜的应力应变图。由图可知，当CaCl2浓度为2wt%和4wt%时，对应的凝胶膜应力应变曲线先相交，交点之前两条曲线对应的膜模量相近，CaCl2浓度为2wt%时制得的膜断裂强度稍大于4wt%，断裂伸长率稍小于4wt%。交点之后，CaCl2浓度为4wt%对应的膜的模量逐渐大于2wt%，断裂强度稍大于2wt%，断裂伸长率稍小于2wt%，但总体上两条曲线差距不大。

设CaCl2浓度为6wt%和8wt%时对应的曲线后相交，交点之前，CaCl2浓度为6wt%曲线对应的膜模量稍大于8wt%，断裂强度稍大于8wt%，断裂伸长率稍小于8wt%，交点之后正好相反。但明显CaCl2浓度为6wt%和8wt%时对应的曲线在CaCl2浓度为2wt%和4wt%时对应的曲线下面，前者对应的膜的模量、断裂强度远小于后者，断裂伸长率稍大于后者。CaCl2浓度为10wt%的曲线对应的膜模量小、断裂强度较小、断裂伸长率大，力学性能较差。

若未来将该膜应用于隐形眼镜的材料来说，需要强度较大、模量较大、伸长率适中。综合这三个指标，对以上几组不同CaCl2浓度对应的膜力学性能进行排序，从好到差依次为：4wt%、2wt%、6wt%、8wt%、10wt%。

图1 同浓度氯化钙制得的膜的应力应变图

3.2 结晶结构分析（XRD）X射线衍射分析

3.2.1 实验方法

将不同盐浓度下制备的凝胶膜剪成粉末状，利用荷兰帕纳科公司的全自动X’PERTPROMPD射线衍射仪对膜进行XRD测试。测试时，使用CuKα射线，射线波长为0.154nm，管电压为40kV，电流为40mA，扫描范围2θ=5°-45°，扫描速率为10°/min。

3.2.2 测试结果与分析

XRD通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，可以获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态。根据不同浓度氯化钙制备的丝素蛋白水凝胶膜XRD衍射图谱的衍射峰和相关变化，可得出氯化钙浓度对凝胶膜结晶结构的影响。

丝素蛋白的构象一般以无规卷曲、α-螺旋和β-折叠为主。其中，无规卷曲、α-螺旋的主要衍射峰为12.2°、19.7°、24.7°和28.2°，而β-折叠的衍射峰主要为9.1°、18.9°、20.7°和24.0°[8]。图2为不同氯化钙浓度时制备的凝胶膜的XRD衍射图谱。

由图2可知，在不同的氯化钙浓度下，衍射峰主要集中在20.48°-24.08°之间，为α-螺旋与β-折叠的混合峰；在11.56°前，有一个弱峰，峰值处对应β-折叠结晶衍射峰。总体来看，该凝胶膜的结晶结构主要为β-折叠。随着氯化钙浓度的增加，β-折叠结晶衍射峰逐渐消失。由此可见，在氯化钙浓度较高的条件下，溶解会破坏丝素蛋白的β-折叠结构。可能是由于在溶解相同含量的丝素时，CaCl2量越多，且溶解时间相同的情况下对丝素的破坏作用越快，较为稳定的结晶结构β-折叠遭到一定程度的破坏。

3.3 分子构象分析（FTIR）红外光谱测试

3.3.1 实验方法

将制备好的丝素蛋白水凝胶膜剪成粉末状，加入溴化钾粉末研磨压片制成样品，用Nicolet5700型傅立叶红外光谱仪对不同盐浓度下获得的膜进行测试。测试时，波数范围为400-4000cm-1，扫描次数为32次，光谱分辨率为4cm-1。

3.3.2 测试结果与分析

红外光谱法具有操作简单、精度较高、重复性好等优点，同时又能够对结构进行深入研究，被广泛应用于表征聚合物的结构特征[9]。图3表现了甲酸（FA）/氯化钙（CaCl2）溶解体系下以相同SF浓度，不同CaCl2浓度溶解所制备的类凝胶膜分子构象的差异。

丝素蛋白的构象以无规卷曲、α-螺旋、β-折叠为主[10]。已有研究表明，无规卷曲与α-螺旋结构的特征峰出现在1640-1660cm-1（酰胺I），1535-1550cm-1（酰胺II），和1235（酰胺III）附近；而β-折叠的特征峰出现在1625-1640cm-1（酰胺I），1515-1525cm-1（酰胺II）和1265cm-1（酰胺III）附近[1]。

图3为绘制出来的FTIR图像，由图可知，氯化钙浓度为2wt%、4wt%、6wt%、8wt%、10wt%时，均有2个特征峰，峰值分别为1624cm-1、1525cm-1，由此可知，当丝素浓度一定时，氯化钙浓度增加对分子构象基本无影响，凝胶膜的分子构象一直以β折叠为主。

图3 不同浓度氯化钙制得的膜的红外光谱图

3.4 透光性分析酶标仪测试

3.4.1 实验方法

将制得的凝胶膜平衡24小时后用剪刀剪成与24孔孔板孔径相同的小圆片，并将小圆片置于孔板内，用酶标仪测定特定波长处干态凝胶膜的吸光度（A）。之后将置于24孔板中的膜用去离子水浸泡24小时后，用同样的方法测定湿态膜的吸光度。

3.4.2 测试结果与分析

由于人眼视网膜上的感光细胞对不同波长的光敏感度不同，峰值分别为507nm、555nm和490nm；而三原色红光、绿光、蓝光的波长分别为700nm，546.1nm，435.8nm[11]。所以综合考虑后，在干态和湿态情况下测定了激发波长为492nm、550nm以及700nm时水凝胶膜的吸光度（A），并计算平均值。由公式T=1/10A×100%可求出水凝胶膜的透光率（T）。

由图4可知，在干态情况下，随着氯化钙浓度的增加，透光率变化总体趋势为先缓慢上升，再以相对较大幅度下降，最后缓慢上升。氯化钙浓度在6wt%左右时，透光率达到最大，在2wt%、4wt%左右时次之。在湿态情况下测试，分析图5可得结论：透光率普遍较干态高，基本在70%以上，变化趋势与干态基本一致，透光率在氯化钙浓度6wt%左右时最大。由此得出，凝胶膜在湿态下透光性能比较好，且在CaCl2浓度为6wt%时透光性能最好。

隐形眼镜的光学性能是一个重要的指标，中国国家标准规定，不着色硬性隐形眼镜的透光率不小于88%，不着色软性隐形眼镜的透光率不小于92%[12]。在合适的盐浓度下，有望于制备高通透性的水凝胶膜并用于隐形眼镜等领域。

图4 不同浓度氯化钙制得的膜的干态透光率曲线

图5 不同浓度氯化钙浓度制得的膜的湿态透光率曲线

4 结论

综上所述，通过对酸/盐法制备的丝素蛋白水凝胶膜的力学性能、X射线衍射、红外光谱和透光性进行测试和分析，得出结论：氯化钙浓度的变化会对酸盐法制备的丝素蛋白水凝胶膜的性能造成不同程度的影响。综合力学系性能、聚集态结构、透光性来看，当氯化钙浓度为4%、6%时，膜的性能较为优异，通透性较好。未来，丝素蛋白水凝胶膜有望应用于隐形眼镜等新的领域。