羧甲基纤维素钠改性角蛋白膜的结构与性能

刘淑萍， 李 亮， 刘让同， 崔世忠， 王艳婷

(1. 中原工学院 服装学院， 河南 郑州 450007； 2. 纺织服装产业河南省协同创新中心，河南 郑州 450007； 3. 河南省功能性纺织材料重点实验室， 河南 郑州 450007；4. 中原工学院 纺织学院， 河南 郑州 450007)

近年来，随着成膜技术的不断发展，膜材料广泛应用于各种领域，因此，对膜材料的性能不断提出新的要求。高分子合成材料制成的传统膜材料由于其生物降解性差导致废弃物不易处理，易造成环境污染，使得具有可再生的生物降解天然高分子材料受到人们的广泛关注[1]。羊毛作为可再生的高分子材料，资源丰富，而且主要是由富含多种氨基酸的角蛋白组成，不仅可生物降解，还具有生物相容性，被广泛应用于食品、医药、包装、化妆品等领域[2-3]，因此，以羊毛为原料，开发利用羊毛角蛋白资源制备角蛋白膜材料，不仅具有巨大的经济和社会效益，而且也符合全球可持续发展的需要[4]。但由于纯的角蛋白成膜性较差，所制得的膜脆性大，力学性能差，使其应用受到很大的限制。为改善角蛋白的成膜性，许多研究者对其进行了大量的改性研究,改性方法主要有增塑法、化学法和共混法等[5-7]，其中由于共混改性易于实现，所以应用最为广泛。目前常用的改性剂有聚乙烯醇(PVA)、壳聚糖和纤维素等[8-10]。

羧甲基纤维素钠(CMCNa)不仅具有良好的成膜性，而且由其制成的膜在医用过程中能防止创伤面的感染，控制创伤面组织液的渗出，促使创伤面的快速愈合，所以本文采用CMCNa为改性剂，改善羊毛角蛋白的成膜性，并对改性膜的结构与性能进行分析研究，以期为开发具有生物相容性的医用膜材料提供新途径。

1 实验部分

1.1 实验原料

羧甲基纤维素钠(CMCNa)，分析纯，天津市鲁鑫化工科技有限公司；B-258型非硅消泡剂，广东中联邦精细化工有限公司；羊毛角蛋白、去离子水，实验室自制。

1.2 实验仪器

EXPLORER型电子天平，美国奥豪斯公司；HHS-2S型恒温水浴锅，上海光地仪器设备有限公司；Rapid R-3型间歇式烘干机，台湾瑞比染色试机有限公司；85-2型磁力搅拌器，江苏中大仪器厂；VK-X110型形状测量激光显微镜，日本基恩士公司；TENSOR37型红外光谱仪，德国布鲁克公司；D/Max-2550PC 型X射线衍射仪，日本理学株式会社；TG 209F1 Iris型热重分析仪，德国耐驰公司；OCA20型接触角测量仪，德国德菲仪器股份有限公司；INSTRON 5582型万能材料试验机，美国英斯特朗公司；Φ60型培养皿，上海晶安生物科技有限公司。

1.3 羧甲基纤维素钠改性羊毛角蛋白膜

CMCNa改性羊毛角蛋白的机制如图1所示。由于羊毛角蛋白中多数为α角蛋白，其分子内氢键作用较大，由其制成的膜脆性大，强度高；当加入CMCNa时，由于CMCNa中的羟基、羧基氧等能与角蛋白分子中的羟基、羧基及氨基等形成分子间氢键，破坏角蛋白分子内的强氢键相互作用，从而使角蛋白膜的强度降低，韧性提高。同时由于CMCNa还能与角蛋白大分子间形成较强的范德华力相互作用，使二者能够较好地互容，改善角蛋白的成膜性。

Fig.1 Modified mechanism of wool keratin film by carboxymethyl cellulose sodium

1.4 样品制备

1.4.1 羊毛角蛋白膜和CMCNa膜的制备

分别取羊毛角蛋白及CMCNa适量置于80 ℃的去离子水中充分溶解，然后在60 ℃水浴锅中静置 2 h；再将溶液均匀铺在放有锡纸的培养皿中，用毛刷刷成具有一定厚度和形状的薄膜，最后将培养皿在 65 ℃ 的烘箱中干燥90 min，即得到角蛋白膜和CMCNa膜。

1.4.2 CMCNa改性角蛋白膜的制备

按1∶1的质量比分别称取适量的羊毛角蛋白和CMCNa，先将CMCNa置于适量去离子水中，并在 65 ℃ 下搅拌使其充分溶解；再将羊毛角蛋白置于同样的去离子水中进行溶解，并与上述CMCNa溶液进行充分混和，在上述溶液中加入适量的消泡剂，用磁力搅拌器搅拌30 min，将混合液置于65 ℃的水浴锅中静置2 h，然后铺制成膜并在65 ℃的烘箱中干燥 90 min，得到CMCNa改性的角蛋白膜。

1.5 测试与表征

1.5.1 表面形貌观察

采用形状测量激光显微镜观察纯角蛋白膜和CMCNa改性膜的表面形态结构。

1.5.2 化学结构测试

采用红外光谱仪以KBr压片法测定角蛋白膜和CMCNa改性膜的化学结构变化，测试扫描范围为4 000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1。测试前先将试样在陶瓷研钵中磨成粉末，然后在80 ℃的真空烘箱中烘干24 h。

1.5.3 结晶结构测试

采用X射线衍射仪分析角蛋白膜和CMCNa改性膜的结晶结构。辐射源为CuKα，加速电压和电流分别为40 kV和60 mA。先将样品制成粉末并在80 ℃的真空烘箱中烘干24 h后进行测试，扫描范围为5°～35°。

1.5.4 热性能测试

采用热重分析仪测定膜的热稳定性。测试升温速率为10 ℃/min，测试温度范围：角蛋白膜为室温至200 ℃，CMCNa改性膜为室温至600 ℃。

1.5.5 亲水性及降解性测试

接触角测试：室温条件下用接触角测量仪测试膜的亲水性，测试方法采用悬滴法(水滴体积选用0.5 μL)，从水滴滴到膜上开始至水滴完全被吸收，每隔20 s记录一次接触角的大小。

降解性能测试：膜在水中的降解性以膜的质量损失率表示，分别称取角蛋白膜和改性膜(膜的尺寸为10 mm×10 mm)的质量，记为m1(g)，再将其分别置于室温条件下的蒸馏水中6 h；然后取出并用称量纸吸干上面的水分称取其质量，记为m2(g)，膜的质量损失率w(%)计算公式为：

1.5.6 力学性能测试

膜的力学性能测试参照ASTMD882《测量塑料薄膜和薄片材拉伸性能》，在万能材料试验机上进行，测试时膜尺寸为3 cm×10 cm，拉伸速度为 10 mm/min。

2 结果与分析

2.1 膜的表面形态结构分析

激光显微镜下的角蛋白膜和CMCNa改性膜的表面形态结构如图2所示。可以看出，按本文方法所制得的2种膜的表面结构均相对较平整，并且都存在裂缝，但未改性前角蛋白膜的裂缝相对较多，形状相对细长，经过CMCNa改性后的膜的裂缝相对粗短。这一方面可能与成膜时膜的厚度不太均匀有关，另一方面也与成膜的工艺有关，但从中也可以看出，CMCNa能明显改善角蛋白的成膜性，使膜的结构更致密，同时也说明要想得到结构更为致密的膜，需要进一步优化制膜工艺。

图2 角蛋白膜与CMCNa改性膜的表面形态结构(×1 000)

Fig.2 Surface morphologies of keratin film (a) and CMCNa modified film (b)(×1 000)

2.2 膜的化学结构分析

为分析改性前后膜的结构变化，对角蛋白膜、CMCNa膜及其改性膜进行了红外光谱测试，结果如图3所示。

图3 角蛋白膜、CMCNa膜及其改性膜的红外光谱图

Fig.3 Infrared spectra of keratin film, CMCNa film and modified film

从图3可看出，由于角蛋白膜、CMCNa膜及其改性膜中都含有羟基基团，所以三者在 3 455 cm-1附近都出现了羟基O—H的伸缩振动峰。但由于不同膜中羟基的含量不同，其对红外的吸收强度也不同，其中角蛋白膜的吸收强度最大，CMCNa膜的吸收强度最小，这是因为纯角蛋白膜中的羟基较多，而CMCNa膜中羟基较少引起的。当角蛋白与CMCNa共混时，由于二者之间发生了氢键相互作用，使角蛋白分子中部分分子内氢键转化为与CMCNa大分子间的氢键，羟基中的O—H伸缩振动的强度减弱，但改性膜中仍有大量没有参与反应的角蛋白存在，所以改性膜在3 455 cm-1附近的吸收峰强度介于纯角蛋白的膜和CMCNa膜之间[10]。

纯角蛋白膜中位于1 650 cm-1处的较弱的酰胺Ⅰ键和位于1 412 cm-1处的C—H和N—H的弯曲振动吸收峰在改性膜中仍然存在，也说明在改性膜中仍有较多的角蛋白没有参与反应。角蛋白膜中位于1 571 cm-1处的酰胺Ⅱ键的较强吸收峰在改性膜中移至了1 558 cm-1处，并且在强度上有所减弱[11]，此外，在改性膜中出现了CMCNa的位于2 340 cm-1处的特征峰和位于1 094 cm-1处的C—C骨架中的C—O伸缩振动峰，说明二者在共混过程具有很好的相容性。角蛋白与CMCNa共混过程中结构的相容性和分子间氢键的形成是成膜性能改善的必要条件。

2.3 膜的结晶结构分析

图4示出角蛋白膜、CMCNa膜及其改性膜的XRD曲线。

图4 角蛋白膜、CMCNa膜及其改性膜的XRD结晶结构

Fig.4 XRD crystal structure of keratin film, CMCNa film and modified film

从图4可以看出，角蛋白膜的XRD曲线上有一强一弱2个较明显的吸收峰：位于11.57°处的强吸收峰是由角蛋白中的α-螺旋构象的结晶结构引起的；而位于14.66°处的较弱吸收峰是由角蛋白的 β-折叠构象结晶结构造成的[12]。从图中峰的强度可以看出，角蛋白中处于α-螺旋构象结晶结构的大分子要远多于处于β-折叠构象结晶结构的大分子。对于CMCNa膜，其整个扫描范围内仅在2θ位于16.98°处有1个馍头峰，因此，大分子属于无定形结构[13]。改性膜的XRD曲线上在位于11.63°和15.41°处出现2个强度相接近的吸收峰，11.63°处的吸收峰对应于角蛋白的α-螺旋构象结晶结构，但相对于角蛋白来说，该峰的强度明显减弱，这说明改性膜中由于分子间氢键的形成使其结构中的α-螺旋构象的结晶结构减少；15.41°处的强吸收峰是由于共混过程中角蛋白与CMCNa发生分子间氢键相互作用，使改性膜中的β-折叠构象结晶结构的增加引起的[14]，此结果也与红外结构分析相吻合。

2.4 膜的热稳定性分析

角蛋白膜和CMCNa改性膜在不同温度时的质量变化曲线如图5所示。

图5 角蛋白膜、CMCNa改性膜在不同温度时的热稳定曲线

Fig.5 Thermo-gravimetric curves of keratin film (a) and CMCNa modified film (b) at different temperatures

从图5中可以看出，无论是角蛋白膜还是CMCNa改性膜，其质量损失曲线都可明显地分为3个阶段。对于角蛋白膜来说，这3个阶段分别是：122 ℃之前由于水分蒸发引起的较快的质量损失阶段；122～150 ℃之间由蛋白质变性所引起的快速质量损失阶段，并且此阶段的质量损失速率在131 ℃时达到最大；此后就是由于膜的热降解所引起的质量损失阶段[15]。经过CMCNa改性的角蛋白膜由于二者之间的氢键相互作用，在第1阶段达到同样的质量损失时所需的温度高达264 ℃；随后在最大质量损失阶段，改性后的角蛋白膜不仅质量损失更大，而且质量损失的温度跨度也较大，这主要是由于在此阶段不仅发生了蛋白质的变性，而且部分CMCNa小分子也挥发出去；此后就是角蛋白膜的缓慢裂解过程。由此可见，CMCNa与角蛋白之间具有较好的相容性，CMCNa的加入不仅使角蛋白膜的结构更加致密，而且还使其热稳定性得以提高。

2.5 膜的亲水性及降解性分析

可降解生物医药材料膜需要有一定的亲水性，角蛋白膜和CMCNa改性膜在不同时间时的接触角变化曲线如图6所示。

图6 角蛋白膜、CMCNa改性膜不同时间的接触角变化曲线

Fig.6 Change curves of contact angle of keratin film and CMCNa modified film at different time

由于角蛋白大分子中所含的亲水基团较多，膜极易吸水，所以其亲水性好，接触角变化快，水滴被膜完全吸收的时间为120 s。当其经过CMCNa改性后，一方面由于CMCNa大分子中的亲水基团相对角蛋白来说要少，另一方面由于二者之间形成了分子间氢键，也在一定程度上减少了亲水基团，所以经过改性后的角蛋白膜亲水性相对有所减弱，水滴被膜完全吸收的时间增加至200 s，仍具有较好的亲水性。

由于角蛋白膜和改性膜都具有亲水性，所以对膜的降解性主要以膜在水中停留一定时间后的质量损失率表示。实验结果表明，角蛋白膜在经过6 h的溶解后其质量损失率为20.4%，而改性后的角蛋白膜在同样条件下其质量损失率达到了78.6%。原因可能是一方面CMCNa本身能溶于水，另一方面则由于CMCNa与角蛋白大分子之间形成分子间氢键破坏了角蛋白的分子内氢键，这些分子间氢键在水的作用下被破坏，使更多的角蛋白溶于水造成。

2.6 膜的力学性能分析

角蛋白膜、CMCNa改性膜的拉伸曲线如图7所示。可以看出，角蛋白膜的拉伸强度较大，伸长较小，经过CMCNa改性后的角蛋白膜强度明显降低，由35 MPa降低至16.3 MPa，伸长率却显著变大，这是因为在CMCNa与角蛋白大分子间形成了分子间氢键， 导致角蛋白大分子的分子内氢键减弱所引起的。

图7 角蛋白膜、CMCNa改性膜的拉伸曲线

Fig.7 Tensile curves of keratin film and CMCNa modified film

3 结 论

CMCNa改性角蛋白膜时，由于CMCNa在与角蛋白的共混过程中形成了分子间氢键，可改善角蛋白的成膜性，使膜的结构更致密，而且在200 ℃之前的热稳定性明显增加。但由于CMCNa中的亲水基团相对较少，所以改性后角蛋白膜的疏水性增加，水滴被膜完全吸收的时间由原来的120 s增至 200 s，但其在水中的降解性由原来的20.4%增至78.6%，断裂强度却由原来的35 MPa降低至16.3 MPa。此外，由于CMCNa能与角蛋白大分子形成分子间氢键，使得经其改性后的膜的结晶结构由原来的α-螺旋构象占主导地位转变为α-螺旋构象和 β-折叠构象其存的结晶结构。

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致谢本文得到了中原工学院交叉学科团队支持计划、河南省纺织服装协同创新中心、河南省功能纺织材料重点实验室等的资助。