再生丝素蛋白可纺性研究

朱彩红 石培峰 吕张飞 胡迎春

摘   要：静电纺丝技术制备的纳米纤维具有极高的比表面积和孔隙率等独特性质，使其在生物医学、电子、能源等方面具有广泛的应用前景。丝素蛋白由于其独特的机械性能、生物相容性和缓慢的降解性，成为组织工程的基质材料。利用静电纺丝技术进行了再生丝素蛋白的可纺性研究，获得了相应的静电纺丝工艺参数，取得了预期的效果。

关键词：静电纺丝;丝素蛋白;纳米纤维;组织工程;扫描电镜

1    丝素蛋白概述

近年来，随着纳米技术的发展，纳米纤维已被广泛应用于各个领域，但由于纳米纤维的生产成本较高，远远不能满足生产的需要，人们正在寻找成本更低、产量更大的纳米纤维制造方法。静电纺丝技术相对于其他生产技术在制备纳米纤维上具有无可比拟的优势，如设备简单、操作方便、适用于大部分聚合物。利用静电纺丝技术制备的纳米纤维具有极高的比表面积和孔隙率等独特性质，使其在生物医学、电子、能源等方面具有广泛的应用前景。

丝素蛋白是一种从蚕丝中提取的蛋白质，由乙氨酸、丙氨酸、丝氨酸等20余种氨基酸组成，是一种有价值的生物医学候选材料。它具有良好的生物相容性、血液相容性、良好的氧气和水渗透性、可生物降解性、非细胞毒性和最小限度炎症反应。它可作为生物识别信号，促进细胞黏附，在生物医学领域应用十分广泛。

本研究的目的是制备再生丝素蛋白，利用甲酸进行溶解，对其溶液进行静电纺丝，以表征微观结构，探寻丝素蛋白的最佳静电纺丝工艺参数，为其应用到生物领域做进一步的探索。

1    试验材料与方法

1.1  主要材料与试验仪器

家蚕生丝，碳酸钠（Na2CO3），氯化钠（NaCl），磷酸二氢钾（KH2PO4），磷酸氢二钠（Na2HPO4），氯化钾（KCl），溴化锂（LiBr），甲酸（98%）。

静电纺丝装置高速离心机、恒温干燥箱、真空冷冻干燥机、电子天平、磁力搅拌器、扫描电子显微镜、烧杯、量筒、玻璃棒、透析袋等。

1.2  再生丝素蛋白的制备

将1 L去离子水加热至沸腾，加入2.12 g Na2CO3，完全溶解后，将2.5 g桑蚕丝浸在溶液中，在100 ℃水温下边加热边用玻璃棒搅拌，约煮0.5 h。将煮熟的丝用温去离子水彻底洗净，然后放在锡纸上，在60 ℃烤箱中烘干一夜。取出干丝称重（m），每1.35 g丝加5 mL 9.3 mol/L溴化锂溶液溶解。待蚕丝溶解后，将蚕丝溶液从烘箱中取出，使其温度降至室温，并将其装入透析袋中，再将透析袋放入去离子水桶中透析3天。取出透析袋，将溶液倒入用纱布密封的干燥烧杯中，移入离心管，4 ℃ 9 000 r/min，离心20 min，即获得清澈的再生SF新鲜水溶液，溶液质量分数约6%。

将一定量（50 mL）6%再生丝蛋白溶液（SF）放置在一个烧杯，迅速移至60 ℃烤箱。当体积降至原溶液体积的1/2时，丝素溶液的质量分数约为12%。将浓缩蚕丝蛋白溶液转移到覆盖有微孔的塑料皿中，继续缓慢浓缩。当体积约为原来的1/2时，对溶液进行质量分数测定，测得溶液質量分数为20%～25%。将溶液放至4 ℃冰箱，2～3天后用玻璃棒缓慢搅拌，用超纯水稀释到0.5%并转移到一个密封的溶剂瓶，然后放至60 ℃烤箱中转化为凝胶状态，再将凝胶放至4 ℃冰箱里。

将丝素蛋白凝胶放入耐低温塑料烧杯中，并放置在一个﹣81 ℃超低温冰箱中一夜，然后放于真空冷冻干燥机中，完全冻干3天后，得到固体再生丝素纤维。

1.3  纳米纤维膜的制备

将固体再生丝素纤维溶解在98%甲酸中，制备2%、4%、5%、6%、8%、10%质量分数的纺丝溶液，室温下用磁力搅拌器搅拌8 h，充分溶解后备用。

静电纺丝装置包含供液系统、高压供电系统和接收系统3个部分。将溶液放入5 mL的注射器中，针头内径5 mm，针尖接电源的高压输出端。接收平板接电源的低压输出端，与针尖之间的接收距离是15 cm，接收平板上平铺上锡箔纸。电纺电压为20 kV，注射泵控制液体流量为0.3 mL/h。当电压从0 kV增加到20 kV时，针尖处形成一滴溶液，然后喷射出去，在锡箔上收集纳米纤维。

1.4  测试与表征

扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观形貌观察手段，可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像。因此，为了直观地观察静电纺丝纳米纤维的纤维形态，同时观察新制备的丝素蛋白的可纺性，对各种质量分数下的静电纺丝纳米纤维材料样品表面喷金，以增加其导电性，然后放置在电镜台上，采用扫描电子显微镜观察其表面形态，并得到样品的电镜图，测试条件：恒温20 ℃，湿度65%。

2    结果与讨论

纺丝液质量分数对纺丝过程和纳米纤维形态有重要影响。为了研究探索本课题中再生丝素的制备，以便于对丝素的电纺工艺参数进行改进。选择较低质量分数的溶液进行静电纺丝。电纺SF的形态如图1所示。电纺2%溶液时，珠丝共混。随着溶液质量分数的增加，珠粒数减少，丝数增加。当溶液质量分数达到8%时，纺丝产品全部为丝。质量分数10%得到的纳米纤维支架的直径主要分布在100～300 nm，直径200～250 nm的纤维接近40%。其平均孔径达到5～6 μm和孔隙度为76%（支架孔隙度适合细胞渗透通常在60%～90%）。这种支架结构有利于纤维细胞的生长。因此，后期的纳米纤维在组织工程中的应用可以选择质量分数为10%的支架进行细胞培养。当然，孔径的优化选择还需要进一步研究。

3    结语

利用静电纺丝技术电纺丝素蛋白，获得了静电纺丝工艺参数，为丝素蛋白的纳米纤维支架在组织工程上的应用创造了条件。静电纺丝技术是目前最有效的制备纳米纤维的方法之一，具有设备简单、操作性强、高效等优点，但是当前的静电纺丝技术还不成熟，诸如批量生产、纤维强力、高电压生产等问题有待研究和解决。随着生物技术的日新月异，静电纺丝技术的不断进步和发展，丝素蛋白纳米纤维在生物医学领域将会展现出更广阔的应用前景。

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