半胱氨酸偶联蛋白改性莱赛尔纤维性能研究

王慧鹏 叶小波 唐 林 董雄伟

（1.武汉纺织大学，湖北武汉，430200；2.当阳市鸿阳新材料科技有限公司，湖北宜昌，444100）

莱赛尔纤维是一种天然可降解的再生纤维素纤维，因其光泽优美，手感柔软，吸湿性好等特点而备受关注，已被广泛应用于内衣、面膜等诸多领域［1］。然而，由于纤维素纤维的亲肤性及生物相容性还有待提高，限制了其在生物医疗及医用功能敷料等领域的应用空间。关于莱赛尔纤维表面改性研究有很多。余升强［2］以蔗渣纤维素为原料制备蔗渣纤维素生物膜载体，同时通过物理改性和化学交联改性使载体具有较强的拉伸强度、高孔隙率、大比表面积、较高的吸水保湿性及可控的降解性。刘澜［3］利用农业废弃物稻秆为原料，对其进行表面化学改性以及利用复合菌系进行生物改性，制备染料吸附剂。杨明煜［4］在纤维生产过程中进行表面化学交联处理，以赋予纤维抗原纤化的能力。

胶原蛋白是存在于动物结缔组织与骨骼肌中常见的纤维状蛋白质，其分子结构独特，呈现α-螺旋结构，由于其与人体极佳的生物相容性，在食品、医药、组织工程等领域获得广泛应用［5-6］。

本研究采用表面改性方法，使用半胱氨酸作为偶联剂将胶原蛋白接枝于莱赛尔纤维上，并对改性后的莱赛尔纤维进行测试分析。

1 试验

1.1 试验原料

莱赛尔纤维规格1.44 dtex×38 mm，由当阳市鸿阳新材料科技有限公司提供。所使用的氢氧化钠（片状）采购于上海国药公司；半胱氨酸采购于J&K公司；胶原蛋白由中国库尔化工有限公司提供。研究中使用的所有化学物质均为分析纯，因此无需再做进一步的提纯处理。

1.2 莱赛尔半胱氨酸偶联蛋白改性方法

取10 g莱赛尔纤维，用去离子水洗涤3遍后取出纤维，将其放入到质量分数为2%的氢氧化钠溶液中，在30℃的恒温水浴中洗涤15 min，洗涤结束后取出纤维，再将纤维放入到纯乙醇溶液中，在30℃的恒温水浴中洗涤，洗涤时间10 min后放在室温下静置30 min，再放入真空烘箱烘干至恒重；然后把纤维放入质量分数为8%的半胱氨酸溶液中（半胱氨酸溶液需先用氢氧化钠调节至p H值6.8），在30℃的恒温水浴中反应3 h，取出后用去离子水洗涤至中性，烘干至恒重；最后将与半胱氨酸反应后的纤维放入质量分数为5%的蛋白质溶液中（蛋白质溶液需先用稀盐酸调节至p H值5.5），在30℃的恒温水浴中反应4 h，取出后用去离子水洗涤至中性，烘干至恒重。

1.3 试验仪器与测试方法

1.3.1 纤维表面微观形貌

使用JSM-7500F型10 kV扫描电镜对莱赛尔纤维接枝改性前后的表面形貌进行观察。将需要检测的纤维剪成1 cm长的束状用导电胶贴在样品台上，在镀金仪器上进行喷金处理后随机在一束纤维的表面进行20个位置的电镜扫描。

1.3.2 元素含量分析

使用K-Alpha+型X射线光电子能谱仪对莱赛尔纤维接枝改性前后的元素进行定量分析。首先，将需要检测的纤维剪成1 cm长的束状用双面胶贴在样品台上，将样品台放入真空室，开始抽真空达到5×10-5Pa以下，X射线源为单色化Alka源（Mono Alka），进入分析室进行分析，对样品随机取5点进行测试。

1.3.3 红外光谱分析

使用Bruker Tensor II型傅里叶变换红外光谱仪测定样品的红外光谱图，扫描次数为32次，分辨率为4 cm-1，扫描范围为400 cm-1～4 000 cm-1。称取2 mg左右的样品与100 mg干燥过的溴化钾粉末在10 MPa压力下研磨压成半透明膜片，在红外光谱仪上测定莱赛尔纤维接枝前后的红外光谱。DTGS检测器为氘化硫酸三苷肽。

1.3.4 X射线衍射分析

使用XRD-6000型X射线衍射仪，得到改性前后的纤维大分子序态以及结晶度的变化，将纤维剪碎呈粉末状后在X射线衍射仪得到莱赛尔纤维改性前后的X射线衍射图。

1.3.5 力学性能测试

使用YG-003型单纤维强力机对改性前后莱赛尔纤维进行力学性能测试，将单根纤维在夹持长度10 mm、拉伸速度20 mm/min的条件下进行拉伸，至纤维被拉断为止，仪器将会自动记录纤维断裂时的断裂强力与断裂伸长率。取100根纤维的数据平均值作为测试结果。

1.3.6 接枝率

对莱赛尔纤维接枝前后的试样进行烘干称重，接枝前莱赛尔纤维的质量记为W1，接枝后质量记为W2，接枝率计算见式（1）。

2 测试结果与讨论

2.1 纤维的表观形貌与分析

改性前后莱赛尔纤维的表观形貌见图1。从图1可以看出，洗涤除杂后的莱赛尔纤维表面较光滑。由于NaOH溶液仅对莱赛尔纤维起到溶胀作用，未发生溶解现象，故纤维形貌没有发生明显变化。但莱赛尔纤维经过NaOH溶液处理、去离子水冲洗的处理过程后，其无定形区经历膨胀-收缩过程，最后恢复到干燥状态时大分子间原有的排列被大大改变，彼此之间堆砌得更加紧密，从而造成无定形区的收缩，其宏观表现就是纤维的直径较初始状态有一定程度的回缩［7］。经半胱氨酸处理后的莱赛尔纤维表面有轻微的沟壑产生，直径相对于洗涤除杂后的纤维有一定程度的减小。经蛋白接枝后的莱赛尔纤维，在外表面形成了一层较明显的蛋白质膜，说明蛋白质不仅填充了纤维表面的裂纹和沟壑，而且还覆盖上了明显的蛋白质膜层，纤维直径也得到了一定程度的恢复，改性前后的平均纤维直径由初始的8.30μm增大到8.97μm，这说明莱赛尔纤维接枝蛋白的效果是明显的。

图1 改性前后莱赛尔纤维微观形貌

2.2 元素含量分析

改性前后的莱赛尔纤维所含的元素含量情况见表1。

表1 改性前后莱赛尔纤维的元素含量

从表1可以看出，由于改性所带来的基团变化，莱赛尔纤维原样经过半胱氨酸处理后，半胱氨酸表面的羟基（—OH）与纤维表面的羧基（—COOH）发生酯化反应，所以蛋白接枝后的氮（N）和氧（O）元素含量相对增加；同时由于硫（S）元素只存在于半胱氨酸的巯基（—SH）与蛋白质氨基酸中，所以其相对含量变化增加极为明显。

2.3 红外光谱分析

改性前后莱赛尔纤维的红外光谱图见图2。从图2可以看出，莱赛尔纤维原样和蛋白接枝后仍然在2 893.9 cm-1处存在—CH的伸缩振动吸收带，在1 641.1 cm-1处存在纤维素纤维吸水产生H—O—H的对称和不对称伸缩振动峰，印证了蛋白接枝并不会改变莱赛尔纤维的特征结构。此外，蛋白接枝莱赛尔纤维在3 300 cm-1处出现了新的吸收峰，是—NH伸缩振动峰；而且1 221.3 cm-1处和1 004.3 cm-1处—OH的峰消失了，这是因为—OH发生反应生成了其他基团。说明蛋白接枝莱赛尔纤维的试验是成功的。

图2 改性前后莱赛尔纤维红外光谱图

2.4 X射线衍射分析

改性前后莱赛尔纤维的X射线衍射曲线图见图3。

图3 改性前后莱赛尔纤维X射线衍射曲线图

从图3可以看出，在2θ为20°～22°处不仅含有纤维素Ⅱ型结晶结构的特征衍射峰，还明显出现了纤维素Ⅲ型的特征峰。碱处理除去了纤维结构中的非纤维素成分，破坏了氢键的网络结构，使纤维的化学组成、聚合度和纤维素微晶的分子取向发生了改变［8］。因此，莱赛尔纤维原样和蛋白接枝后的X射线衍射曲线在经过碱处理后出现部分结晶度改变，但基本是吻合的，莱赛尔纤维原样在2θ为20.5°处会出现强衍射峰，在2θ为41.2°处有相对较弱的衍射峰，这说明莱赛尔纤维在经过蛋白接枝后其内部序态结构没有发生明显的变化。

2.5 力学性能分析

改性前后莱赛尔纤维断裂强力和断裂伸长率的变化见图4。

从图4可以看出，与莱赛尔纤维原样相比，经过半胱氨酸处理后的断裂强力和断裂伸长率均相对有所下降，而通过蛋白接枝后的莱赛尔纤维力学性能在一定程度上得到改善。这是因为巯基化导致莱赛尔纤维大分子链之间原有的结构完整性受到破坏，但其主体部分未受到破坏，因此降低了聚合物大分子之间的相互作用。在经过蛋白接枝后，原本被破坏的纤维表面被蛋白质膜层覆盖修复，使得蛋白接枝后的纤维力学性能相比于改性前有一定程度改善，其断裂强力、断裂伸长率均相对提高了9.21%、4.4%。

图4 改性前后莱赛尔纤维力学性能的变化

2.6 接枝率的变化

在其他试验条件不变的情况下，研究半胱氨酸处理对蛋白接枝率的影响。依次对洗涤除杂后直接进行蛋白接枝的莱赛尔纤维、洗涤除杂后经过半胱氨酸处理后再与蛋白接枝反应的莱赛尔纤维进行真空烘干称重，计算接枝率，结果见表2。

由表2可知，经过半胱氨酸处理后的莱赛尔纤维在蛋白接枝时的平均接枝率为2.4%，而未经半胱氨酸处理的莱赛尔纤维平均接枝率为1.75%。可以看出，经过半胱氨酸处理后的莱赛尔纤维相比于未经半胱氨酸处理后的莱赛尔纤维蛋白接枝率更高。

表2 经半胱氨酸处理的蛋白接枝率

3 结论

该制备方法成功为莱赛尔纤维接枝了一层致密且光滑的蛋白质膜层，赋予了莱赛尔纤维以天然蛋白质纤维的外观与性能特征。对其表观形貌变化进行观测，发现半胱氨酸处理后的纤维直径减小，而蛋白接枝后的纤维平均直径达到8.97μm，比改性前的洗涤除杂处理增加了8.07%，且其表面出现了一层蛋白质膜层。改性后的莱赛尔纤维出现了酰胺键、二硫键及其元素成分，也表明蛋白质已成功接枝在莱赛尔纤维上。同时，经过半胱氨酸处理的莱赛尔纤维在接枝率上相比于未经过半胱氨酸处理的莱赛尔纤维提升了37.1%。制得的半胱氨酸偶联蛋白改性莱赛尔纤维具有良好的力学性能，拓宽了其在生物医疗及医用功能敷料等领域的应用空间。