丝素蛋白改性纤维的性能及应用研究

1.丝素黏胶共混纤维的物理机械性能

纺织纤维在加工的过程中会受到各种外力的作用，所以要求其具有一定的抵抗外力作用的能力，且这种能力要保证在加工过程中尽量不要降低。对丝素黏胶共混纤维的力学性能进行测试，并与普通黏胶长丝及蚕丝作比较，结果见表8-5。

表8-5　纤维物理机械性能列表

由表8-5知，实验测得的丝素黏胶纤维的强力值与普通黏胶纤维强力值相比在偏小的一个范围，这是因为丝素分子结构复杂，加入到黏胶纤维中可对其成纤大分子的规整度产生影响，分子间力减弱，结晶度下降，从而对其强力产生不良影响，但由于实验所用丝素黏胶纤维中引入丝素纳米级粒子的量较小，所以强力影响并不大，仍然保持在黏胶纤维的强力值范围内。但是纤维的干态和湿态的断裂伸长率都有所提高，这说明丝素黏胶纤维的弹性有所增加。

2.丝素黏胶共混纤维的热稳定性

为了了解丝素黏胶共混纤维的热稳定性，实验对其在不同温度下进行干热处理，处理后测定收缩率，结果见表8-6。

表8-6　纤维干热收缩率

由表8-6知丝素黏胶共混纤维的相对热稳定性较好，收缩率较小。曾经有Magoshi小组系统地研究了丝素蛋白的热力学行为，发现无定形的丝素蛋白在100℃附近开始脱水，其分子内和分子间的氢键在150～180℃时被破坏，在温度大于180℃时，由于氢键重新开始形成，无规线团向β-折叠转变，并在190℃时开始结晶，无论α-螺旋还是β-折叠的丝素蛋白，在加热到100℃以上时均会脱水，在175℃时晶区中的分子链开始运动，在270℃时由于热诱导作用丝素蛋白由α-螺旋结构转向β-折叠结构。所以在100～150℃时丝素蛋白只会发生脱水作用，其收缩程度不大；另外黏胶纤维的耐热性也是非常好的，因其不具有热塑性，不会因温度的升高而发生软化、粘连及机械性能的严重下降。

3.丝素黏胶共混纤维的氨基酸组成

丝素蛋白有18种氨基酸，其中8种是人体所必需的，且无毒无污染，可生物降解。蚕丝素蛋白除了含有C、H、O、N元素外，还含有K、Ca、Si、Sr、P、Fe、Cu等多种元素。黏胶纤维的基本组成是纤维素（C6H10O5）n。为了了解丝素黏胶氨基酸含量，实验对纤维氨基酸组成进行了测定，结果见表8-7。

表8-7　丝素黏胶共混纤维中氨基酸含量

由表8-7发现，丝素黏胶共混纤维中的氨基酸大部分为甘氨酸和丙氨酸；测试采取的是盐酸水解法，甲硫氨酸（Met）易被氧化转变成甲硫氨酸砜，损失约20%，另外纤维中丝素含量本就少，所以Met的量更加少以致无法测得数值；脯氨酸的含量也是非常少，不易测定，故未列出；而色氨酸在酸水解时会被破坏，故未列出。

表8-8　丝素的氨基酸组成

由表8-8知，丝素黏胶纤维中丝素部分的氨基酸含量与纯丝素蛋白中氨基酸含量保持一致，说明在丝素粉末制备以及丝素黏胶纤维纺丝过程中丝素中的氨基酸基本无损失，保证了丝素黏胶共混纤维的可行性。

虽然纤维制取过程中氨基酸基本无损失，但在其染整加工过程中工艺条件更为苛刻，所以要特别注意使氨基酸损失量尽量的少，以便保持此新型纤维的亲肤性，健康性。

4.纤维耐酸碱性能

丝素黏胶共混纤维所含成分为丝素蛋白以及纤维素纤维，丝素蛋白不耐碱，纤维素纤维不耐酸，所以探讨不同pH条件下的强力损失对后期漂染工艺很有必要。调节不同pH的溶液，加热到80℃，将丝素黏胶纤维处理60min，取出充分水洗、晾干后，测试干态强力的实验结果见图8-9。

图8-9　pH对纤维强力的影响

由图8-9可知，近中性条件下处理时强力保留率是最高的。丝素黏胶纤维的断裂强力受pH的影响较大，与未处理的纤维相比，不同pH处理的丝素黏胶纤维的断裂强力均有所下降，且在强酸性条件下下降较大，这是因为该纤维的主体成分是纤维素，纤维素分子中的甙键在酸性条件下不稳定，特别是强无机酸溶液的作用下会发生水解，使大分子断裂，聚合度下降，导致断裂强力下降，反应过程为：

而纤维素纤维对碱的稳定性很好，在碱液中只发生溶胀作用，但溶胀后纤维素大分子的作用削弱，其结构变疏松，纤维弹性增加，延伸性提高，而强力会有所降低，只是下降幅度远没有在酸液中大。

5.丝素蛋白的静电纺丝

对于丝素蛋白的静电纺丝研究开始较早，相关报道也比较多。选择不同的溶剂（有机溶剂或水）对电纺得到的丝素蛋白纤维的直径大小和直径分布有很大的影响。甚至对所得到的丝素蛋白超细纤维膜在组织工程支架中的应用也有一定的影响。Jeong等[29]用甲酸作为溶剂时，可以得到直径在80nm且直径分布呈单峰分布的丝素蛋白纳米纤维，当用六氟异丙醇作为溶剂时，得到的纤维直径为380nm。纺得的丝素蛋白纳米纤维经甲醇水溶液处理后，以甲酸作为溶剂纺得的纤维有比以六氟异丙醇作为溶剂纺得的纤维有更高的β折叠含量。

Sukigara等[30，31]将丝素蛋白溶于甲酸中，研究了各种纺丝参数对丝素蛋白纳米纤维形成以及纤维形貌和直径的影响。结果表明，纺丝液质量分数是影响是否形成纤维，是否得到均一的、连续长度纤维的最主要的因素。由表面响应法模型可以得到，在纺丝液质量分数为8%～10%，场强为4.0～5.0kV/cm时，完全可以静电纺得到直径小于40nm的丝素蛋白纤维。Kim等[32]则通过X射线衍射、红外光谱及核磁共振研究了电纺丝素蛋白纳米纤维的微观结构。(www.xing528.com)

在Sukigara的基础上，Ayutsede等[33]可以通过静电纺丝得到直径在100nm以下，形态较好的纳米纤维。进一步地，Ayutsede等[34，35]以甲酸为溶剂，将碳纳米管分散于丝素蛋白甲酸溶液中，同样可以纺得形态较好的碳纳米管/丝素蛋白复合纳米纤维。

Park等[36]以甲酸为共同溶剂研究了丝素蛋白与壳聚糖的混纺，分别将丝素蛋白和壳聚糖溶于甲酸中制成质量分数分别为12%和3.6%的丝素蛋白甲酸溶液和壳聚糖甲酸溶液。再将两种溶液按不同质量比混合制成混合溶液，在纺丝电压为16kV，纺丝距离为8cm，挤出率为1.0mL/h时，对不同组成的混合溶液进行静电纺丝，通过扫描电镜观察可以看到，纯壳聚糖的甲酸溶液在上述的条件下无法形成纤维，纯丝素蛋白的甲酸溶液在上述条件下可以形成截面为圆形，表面光滑，平均直径为450nm的纤维。对于混合溶液，随着混合溶液中壳聚糖含量的逐渐增加到30%，纤维的直径从450nm下降到130nm，并且分布也变窄，这是由于随着混合溶液中壳聚糖含量的增加，溶液的电导率也增大。

Zarkoob等[37]、Jeong等[38]及Yutaka等[39]将丝素蛋白溶于六氟异丙醇中，再进行静电纺丝。研究表明，一定浓度的丝素蛋白六氟异丙醇溶液可以用于静电纺丝，纺得的丝素蛋白纤维的直径在250～550nm。Park等[40]则分别将丝素蛋白六氟异丙醇溶液和甲壳素六氟异丙醇溶液按不同质量比混合制成混合溶液，这些溶液在相同的条件下进行静电纺丝，通过扫描电镜观察可以看到，随着甲壳素含量的增加，纤维的直径越细，这可能是由于随着混合溶液中甲壳素的增加，溶液的电导率增加。

Ohgo等[41]用丝素蛋白溶于水合六氟丙酮中，在溶液质量分数分别为7%，5%和3%时，在一定的场强下，可以得到细而圆的，直径在100～1000nm的纤维。

Wang等[42]用纯的丝素蛋白水溶液进行静电纺丝，在收集距离12cm时，电压为20kV时，质量分数为17%的纯丝素蛋白水溶液由于电场力不能克服溶液的表面张力而不能纺得纤维，但当纺丝电压加到40kv时使电场力增大，可以纺得串珠状的纤维；当质量分数为28%时，纺丝电压为20kV时，可以纺得截面为圆形，表面光滑，直径范围在400～800nm的纤维。当纺丝电压为40kV时，纺得的纤维变成带状。

Zhu等[43]将柠檬酸—NaOH—HCl缓冲溶液与丝素蛋白水溶液以体积比1∶3混合，制备了pH为6.9（与家蚕后部丝腺的pH相当）的丝素蛋白水溶液，通过设计正交实验来优化电纺丝素蛋白的工艺参数。正交实验结果表明，纺丝液质量分数是影响电纺纤维直径大小的最主要的因素，纺丝距离是影响电纺纤维直径标准偏差的最主要的因素，纺丝电压是影响电纺纤维形态最主要的因素。接着，Zhu等进一步研究了丝素蛋白水溶液的pH以及纺丝液质量分数的变化对丝素蛋白水溶液静电纺丝的影响。实验结果表明，对应pH的逐渐降低，纺丝液质量分数逐渐降低的丝素蛋白水溶液可以电纺形成纤维，并且纺得的纤维直径变细，直径分布变窄。将丝素蛋白水溶液的质量分数固定在33%，通过逐渐降低溶液的pH，电纺纤维的形态由带状转变成圆柱状，在pH为6.0时，可以得到平均直径在718nm，比较均一的、截面形态为圆形的纤维，但当pH进一步降低时，溶液容易凝胶而导致黏度太高，得不能直径更细的纤维，并且电纺纤维不能完全干燥，从而使得纤维间有黏结。Zhu等认为全部以水作为溶剂来电纺再生丝素蛋白会开辟一个以丝素蛋白为基础的生物材料研究的新方向。

Chen等[44]通过静电纺丝得到带状丝素蛋白纤维，他们认为这是由于在电纺过程中纤维形成时，在空气压力的作用下，纤维形态逐渐由圆管状转变成椭圆状，再转变带状。

Jin等[45-46]通过用电纺丝素蛋白（SF）水溶液来制备丝素蛋白生物支架和生物膜。在丝素蛋白水溶液中加入一定量的加聚氧化乙烯（PEO），制成一系列浓度不同的SF/PEO混合水溶液都可以通过静电纺丝形成纤维，并且纤维的直径在1μm以下。

Yu等[47]通过同轴静电纺丝的方法，以水作共同溶剂，以丝素蛋白（SF）为核层，以PEO为壳层，制备出SF/PEO核壳结构复合纤维，Wang等[48]通过同样的方法先制备出SF/PEO核壳结构复合纤维，再通过水溶掉核壳结构复合纤维的壳层物质PEO，最终可以得到丝素蛋白纳米纤维。Kang等则将多壁碳纳米管（MWNTs）分散在丝素蛋白（SF）水溶液中，通过静电纺丝法制备出MWNTs/SF/PEO复合纳米纤维。Kang等认为MWNTs/SF/PEO复合纳米纤维可以较好地用于制备伤口敷料等生物组织工程支架材料。

Li等[49]通过电纺添加了酸性的聚（L-天门冬氨酸）（poly-Asp）的SF/PEO混合水溶液，静电纺得直径约350nm的SF/PEO/poly-Asp纤维，并将经甲醇处理后的纤维作为矿化的模板进行矿化。通过扫描电镜观察矿化后的电纺纤维的形貌可以看到，磷灰石矿物能很好地沿着纤维轴向成核和生长，随着电纺纤维中聚（L-天门冬氨酸）的量的增加，矿化效果越好；在电纺纤维中加入的聚（L-天门冬氨酸）的量一定时，随着矿化重复次数的增加，矿化的效果也越好。Li等认为通过这种矿化的方法制得的电纺丝素蛋白纤维的复合材料可以作为相关的骨组织生物材料。

6.电纺丝素蛋白超细纤维在组织工程支架的应用

Min等[50]将丝素蛋白溶于甲酸中，可以纺得平均直径在80nm，形态较好、截面呈圆柱形、表面光滑的纤维。在经过甲醇处理后的丝素蛋白纳米纤维上培养人角化细胞和纤维原细胞，通过对细胞培养过程观察和对细胞数的测定可以看出，丝素蛋白纳米纤维可以很好地促进人类角化细胞和纤维原细胞的黏附、增殖和扩散。Min等认为这是由于电纺丝素蛋白纳米纤维的三维结构提供了很大的表面积可以让细胞黏附。

Park等[40]在以六氟异丙醇为共同溶剂纺得的丝素蛋白/甲壳素（SF/Chitin）共混纳米纤维支架上培养表皮角化细胞和纤维原细胞，结果表明，在复合纳米纤维支架中含甲壳素75%、再生丝素蛋白25%时，细胞在其上面增殖的效果最好。Yoo等进一步研究了以六氟异丙醇作为共同溶剂，静电纺SF/Chitin复合纳米纤维支架和SF/Chitin混杂纳米纤维支架中的两组分在培养人类表皮角化细胞时的交互作用。研究表明，在两种纳米纤维支架上培养人类表皮角化细胞1h后，相比SF/Chitin混杂纳米纤维支架，SF/Chitin复合纳米纤维支架显示了更好的生物相容性。但在进行细胞培养7d以后，发现SF/Chitin复合纳米纤维支架与含25%甲壳素和75%丝素蛋白的混杂纳米纤维支架更有希望成为人类表皮角化细胞在其上黏附增殖的组织工程支架。Yoo等认为这种细胞培养时细胞活性的不同可能是由纳米纤维基质支架中纤维形态、结晶结构以及化学组成不同而引起的。

Yeo等[51]则将丝素蛋白和胶原蛋白溶于六氟异丙醇中，通过静电纺丝得到直径320nm到360nm的丝素蛋白/胶原蛋白（SF/Collegen）共混纤维。在其上培养人类角化细胞和人类纤维原细胞，并以SF/Collegen混杂纤维膜、纯胶原纤维及纯丝素蛋白纤维作对比。结果表明，人类纤维原细胞在共混纤维上的增殖黏附性能与其在纯胶原纤维及纯再生丝素蛋白纤维上增殖黏附性能相似。人类角化细胞在共混纤维上的增殖黏附性能较其在两种纯物质纤维上的增殖黏附性能有明显的下降，但其在SF/Collegen混杂纤维膜上增殖黏附性能却明显好于其在共混纤维膜上的增殖黏附。文献认为，SF/Collegen混杂纤维膜可能成为伤口敷料和组织工程等生物医药领域中较好的候选材料。

Jin等[46-47]在经甲醇处理去除PEO后的电纺丝素蛋白纤维上培养人类骨髓基质细胞（BMSCs），1～2天后，在其上培养的BMSCs开始增殖，经过14天培养后，BMSCs大量增殖，并覆盖了整个电纺纤维基质。由于BMSCs可以体外在电纺丝素蛋白纤维基质上黏附、扩散、生长，并且由于丝素蛋白本身的生物相容性和生物降解性，Jin等认为，静电纺以水作为溶剂的丝素蛋白将会在生物支架上有很好的应用。

在Jin等的基础上，Zhang等进一步研究了电纺丝素蛋白纤维支架在体外培养血管细胞的情况。在电纺丝素蛋白纤维支架上培养人类大动脉内皮细胞（HAEC）以及人类冠状动脉平滑肌细胞（HCASMC），以考查电纺丝素蛋白纤维支架在血管组织工程支架上应用的可能性。研究结果表明，HAEC和HCASMC可以很好地在丝素蛋白纤维支架上增殖，并保持细胞显型和促进细胞重组。因此，Zhang等认为丝素蛋白纤维支架可以开发应用在血管组织工程支架上。Soffer等[5]同样研究了以水为溶剂的电纺丝素蛋白纤维在血管组织工程支架上的应用，人类内皮细胞和平滑肌细胞可以在制备的支架上很好地生长。力学性能测试可以看出，所制备的支架的破裂强度足够承受动脉压力，支架的拉伸性能也可以比得上天然血管。文献认为，电纺丝素蛋白纤维支架可以用于小直径血管移植上。

Li等以丝素蛋白水溶液电纺得到的纳米纤维支架为材料，研究了人骨髓间质干细胞（hMSCs）体外培养骨组织的形成，并在丝素蛋白中加入骨成形蛋白2（BMP-2）和羟基磷灰石纳米颗粒（HA），以考查其对骨组织的形成的影响。通过将hMSCs在电纺的SF/PEO、SF/PEO（PEO浸出）、SF/PEO/BMP-2、HA/SF/PEO、HA/SF/PEO/BMP-2五种纳米纤维支架上于成骨介质中静态培养31天后，通过扫描电镜的观察、钙含量测定、DNA含量测定以及转录水平的表征可以看出，电纺丝素蛋白基纤维支架能促进hMSCs在其上生长和分化，其中在电纺丝素蛋白纤维支架中同时加有BMP-2和HA两种物质后，支架明显促进了骨组织的形成。