[doc格式] 丝素蛋白在室温离子液体中的溶解与再生性能研究

[doc格式] 丝素蛋白在室温离子液体中的溶解与再生性能研究 丝素蛋白在室温离子液体中的溶解与再生 性能研究 助材料2008年第10期(39)卷 丝素蛋白在室温离子液体中的溶解与再生性能研究 朱海霖,冯新星,陈建勇,郭玉海,张华鹏 (浙江理工大学”先进纺织材料与制备技术”教育部重点实验室材料与纺织学院,浙江杭州310O18) 摘要:宣温离子液体l一烯丙基一3一甲基氯代咪唑和 1一(2一羟乙基)一3一甲基氯代咪唑是丝素蛋白的新型良溶 剂.丝素蛋白在1一烯丙基-3-甲基氯代咪唑和1-(2-羟 乙基)一3一甲基氯代咪唑中的溶解度分别为14.5(质 量分数)(100?)和8.0(质量分数)(80?).向离子 液体丝素溶液中加入乙醇或正丁醇可获得再生丝素蛋 白.XRD和FT-Raman研究表明再生丝素蛋白膜的 构象主要是f}-折叠结构.TGA数据表明再生丝素蛋 白的热稳定性比天然丝素纤维有所降低,热失重残留 物有所增加.同时,机械性能和溶失率分析结果显示 从离子液体中再生的丝素蛋白表现出良好的湿态机械 性能和优异的稳定性. 关键词:丝素蛋白;室温离子液体;溶解;再生 中图分类号:0636.9文献标识码:A 文章编号:1001-9731(2008)10-1710-04 1引言 丝素蛋白是蚕丝的主要组成部分,约占总重量的 75,是一种天然的蛋白质.由于丝素蛋白具有良好 的生物相容性和优异的物理,化学性质,近年来有关丝 素在生物和医学领域的开发和应用研究很活跃,如用 于固定化酶材料[1矗],组织工程材料[3棚,药物控制释放 材料[5],人工皮肤[7]等.天然丝素纤维含有大量分子 内和分子间氢键,结晶度较高而难溶解于一般的溶剂. 目前常用的溶解体系是CaCI2-GH5OH-H20体系和 LiBr溶液.丝素经混合溶剂溶解后需要进行耗时较 长的透析过程,而且得到的丝素水溶液容易凝胶化. 近年来,研究者开发了其它一些能够溶解丝素纤维的 溶剂,如甲酸[8],六氟异丙醇[,六氟丙酮和N一甲基 吗啉一N_氧化物一水和物[11]等,而这些溶剂或多或少存 在有毒害,不稳定,不易回收,价格昂贵等缺点. 室温离子液体是完全由离子组成的液体,在室温 和近乎子室温呈液态的熔融盐体系.它一般由含氮, 磷的有机阳离子与卤素,四氟硼酸根等阴离子组成. 由于室温离子液体具备强极性,不挥发,毒性小,良好 的溶解性,易回收利用等特点,使其成为极具应用前景 的绿色环保型溶剂.最近,David等[12]发现1一丁基一3一 甲基咪唑氯代离子液体可以溶解丝素纤维,为丝素溶 剂体系的开发研究开辟了一个新领域. 合成了两种室温离子液体:1一烯丙基一3一甲基氯代 咪唑(~AMIM]CI)和I-(2-羟乙基-3-甲基氯代咪唑 ([HeMIM]CI),这两种离子液体对丝素具有较好的溶 解能力.本文通过将丝素/离子液体溶液浸渍在不同 溶剂中得到再生丝素膜,并对再生丝素膜结构与性能 进行了研究. 2实验 2.1实验材料与仪器 家蚕丝(浙江桐乡);N一甲基咪唑(江苏盐城药物化 工厂,纯度>99);烯丙基氯,羟乙基氯,无水乙醇,正 丁醇等均为进口或国产分析纯试剂. 2.2室温离子液体[AMIM]CI和[HeMIM]CI的合 成 分别按文献[13,l4]制备了[AMIM]Cl和 [HeMIM]CI,并经H—NMR确证. 2.3丝素在室温离子液体中的溶解 将脱胶的丝纤维分别加入到[AMIM’]Cl和 [HeMIM]CI中,在8O,Ioo’C油浴中施以磁力搅拌. 溶解过程可用Leica-DMLP偏光显微镜观察. 2.4丝素的再生与性能测试 将丝素/离子液体溶液均匀铺在玻璃板上,分别用 乙醇和正丁醇浸泡30min.将再生的丝素膜取出,用 去离子水清洗干净.将再生丝素在室温下自然晾干, 可得到白色透明的再生丝素膜层. 2.4.1AFM测试 采用Digital公司的NanoScopeIlia原子力显微 镜,用硅探针轻敲模式对样品成像. 2.4.2XRD测试 采用ARL-X’TRA型X射线衍射仪测定样品的 XRD谱,在CuKa射线下,管电压45kV,管电流 40mA,扫描速度为2./min,角度范围为5,45.. 2.4.3拉曼测试 采用Therm-Nicolet公司的FT-Raman960拉曼 光谱仪测定样品的拉曼光谱. 2.4.4TGA测试 采用美国PE公司PyrisDiamondTGA热重分析 仪测定样品的热学性能,N.保护,通气速率为2O. Oml/min,升温范围50,7o0?,升温速率为10?/ ? 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50573068)I教育部博士点基 金资助项目(20060338001)I浙江省自然科学基金资助项 目(Y405459) 收到初稿日期:2008-04一II收到修改稿日期:2008?07—31通讯作者: 陈建勇 作者简介:朱海霖(1978一),女,浙江桐乡人.讲师,主要从事功能材料, 生物材料研究. 朱海霖等:丝素蛋白在室温离子液体中的溶解与再生性能研究 min,样品质量约为10mg. 2.4.5机械性能的测试 将丝素膜在水中浸泡24h后用Instron5543型电 子强力仪进行强力拉伸实验(20?),拉伸速率为 10mm/min,夹持长度为20mm. 2.4.6水溶失率测试 称取干态丝素蛋白薄膜重量(w),将其浸入磷酸 盐缓冲液(PBS)中,于37?下放置1,5和10d取出,在 7O?下干燥5h,称取干燥后的丝素蛋白薄膜的重量 (W),按下式计算水溶失率(S): S():—~f)--—TJJ1×1O0 W 2.5离子液体的再生 将混有离子液体的乙醇和正丁醇溶液置于旋转蒸 发仪上,减压蒸馏除去溶剂,可回收离子液体.回收的 离子液体可再次用于丝素的溶解,单次回收率为 9O. 3结果与讨论 3.1[AMIM]CI和[HeMIM]CI对丝素的溶解性能 丝素在[AMIM]CI和[HeMIM]C1中的溶解可以 通过偏光显微镜观察.在偏光显微镜下观察到,脱胶 丝素纤维在室温离子液体中首先发生溶胀,由丝素纤 维组成的集束结构逐渐变得松散.随着溶解过程的继 续,丝素纤维逐渐变细变短,直至溶解.完全溶解时, 偏光显微镜下呈现黑场.研究发现,温度对丝素的溶 解有较大的影响.8O?时,丝素在[AMIM]CI中的溶 解度为9.1(质量分数).当温度升高至100?时,丝 素的溶解度可达14.5(质量分数).而对于 [HeMIM]CI,由于含羟基的季铵盐对热稳定性比常规 季铵盐要低[],虽然文献E14-I报道[HeMIM]CI能在 90?稳定存在,但考虑到温度超过90?含羟基的季铵 盐有可能发生分解,因此本文在用[HeMIM]Cl溶解 丝素时采用的温度为8O?,在此温度下,丝素在 [HeMIM]CI中的溶解度为8(质量分数)左右. 3.2[AMIM]C1和[HeMIMJC1溶解丝素的机理探 讨 文献[12]报道丝素的溶解性与离子液体中的阴阳 离子都有关系.含Cl一的离子液体能够溶解丝素,而 含I一,B,A1CI7的离子液体则不能溶解丝素,其原 因可能是强氢键接受体Cl一可以破坏丝素分子内或分 子间氢键,从而使丝素纤维溶解.图1(a),(d)和(e)分 别为丝素纤维和溶解于两种离子液体后丝素的XRD 谱图.从图1中可以看出((a)天然丝素纤维;(b)经乙 醇再生的丝素膜;(c)经正丁醇再生的丝素膜;(d)10 (质量分数)丝的素的[AMIM]C1离子液体溶液(从 100?冷却至25?);(e)8(质量分数)丝素的 [HeMIM]CI离子液体溶液(从100?冷却至25?)), 丝素纤维在2O和24.(2)分别出现一个强衍射峰和一 个较弱的衍射峰,这两个衍射峰是Silk?(B-折叠)的 特征峰,表明丝素纤维主要为p一折叠构象[1引.而丝素 溶于离子液体后的衍射图谱与未溶解的丝素纤维截然 不同,是一个宽的非晶衍射峰,说明离子液体能够破坏 丝素的结晶结构,丝素在离子液体中主要以非晶态(无 规卷曲形态)存在. 图1X射线衍射图 Fig1XRDpatterns 3.3再生丝素膜的结构 由于甲醇和乙腈能与室温离子液体互溶,文献 [123采用这两种溶剂作为丝素的再生试剂.考虑到甲 醇和乙腈毒性较大,本文尝试采用低毒性的乙醇和正 丁醇作为再生试剂.图2为再生丝素膜的表面AFM 照片.从图2可以看出,经乙醇和正丁醇固化的再生 丝素膜表面平坦均匀.一般认为丝素蛋白有两种结晶 结构,即SilkI和SilkII.SilkI的主要构象是a一螺 旋,衍射峰在20=12.2和28.2.处;而Silk?(B一折叠) 的主要衍射峰在28=18.9,20.7和24.O.处【1”.图1 (b)和(c)为再生丝素膜的XRD谱图.从图2中可以 看出,经乙醇和正丁醇处理的再生丝素蛋白膜在2O和 24.存在特征峰,显示出与丝素纤维相同的特征峰,说 明乙醇和正丁醇的加入引起了丝素从无规卷曲构象向 B一折叠构象的转变. lallb】 图2再生丝素膜的AFM图 Fig2AFMsurfaceimagesoftheregeneratedsilkfi— broinfilmrinsedwithethanolandn—butanol FT-Raman光谱法是测定丝素蛋白构象的常用方 法之一.根据报道,丝素f}.折叠构象的拉曼特征峰在 1084,1229和1670cm.1附近,而无规卷曲和a一螺旋构 象的特征峰在1245,1270和1645cmI1附近[1.图3 为再生丝素膜和丝素纤维的拉曼光谱图.从图3中可 以看出,再生丝素膜的拉曼特征吸收峰与丝素纤维的 特征峰类似,均出现于1084,1229和1670cm-1附近, 说明再生丝素膜的主要构象为折叠,拉曼光谱测定 的结果与XRD结果一致. 助能材(39)卷 图3丝纤维与再生丝素膜的拉曼光谱图 Fig3FT-Ramanspectraofthesilkfiber,theregener— atedsilkfibroinfilmrinsedwithethanolandn- butanol 3.4再生丝素膜的TGA和DTG分析 丝素纤维和再生丝素膜的TGA(图4)和DTG曲 线(图5)上都有1个明显的热转变区域(300?左右). 如图4,5所示,加热到100?,丝素纤维和再生丝素膜 失重为8左右,可归结为吸附微量水的脱附【1妇;从 29O,500?,丝素纤维和再生丝素膜失重为60左 右,主要是丝素分子间侧链受到破坏引起的[2.从图 中可以看出,再生丝素膜的最大热分解温度较天然丝 素纤维有所降低,一定程度上反映了其热稳定性略有 降低.原因可能是天然丝素纤维分子量大,结晶度较 高,而从两种室温离子液体中得到的再生丝素由于溶 剂的作用,部分分子链断裂,使得分子量比天然丝素纤 维的分子量有所降低.同时,再生丝素膜热分解残留 物较天然丝素纤维要多,但不同的离子液体对丝素的 热分解残留量无影响. Tempera~re/*C 图4丝纤维与再生丝素膜的TG曲线图 Fig4Thermogravimetriccurvesofthesilkfiber,the silkfibroinregeneratedfrom[AMIM]CIand [HeMIM]CI Temperat~m/’C 图5丝纤维与再生丝素的DTG曲线图 Fig5DTGcurvesofthesilkfiber,thesilkfibroinre— generatedfrom[AMIMJC1and[HeMIM]CI 3.5再生丝素的机械性能和稳定性 机械性能和在水中的稳定性是决定材料应用的关 键因素.由于生物材料基本都是在湿态条件下使用, 因此在本实验中,机械拉伸曲线也是在湿态条件下测 得的.表1显示了从两种离子液体中再生的丝素膜的 湿态机械拉伸强度. 表1再生丝素膜的机械强度 Table1Mechanicalpropertiesoftheregeneratedsilkfibroinfilms(N=3.Mea n+SD) TensilestrengthElongationatbreak (MPa)() Theregeneratedsilkfibroinfilmrinsed 17.0士2.1l1.5士1.7 withethanol(solvent:[AMIM]C1) Theregeneratedsilkfibroinfilmrinsed 18.3士2.51O.1士1.5 withethanol(solvent:[HeMIM]CI) Theregeneratedsilkfibroinfilmrinsed 15.9士1.41O.9士1.1 withn-butanol(solvent:[AMIM]C1) Theregeneratedsilkfibroinfilmrinsed 15.1士1.81O.6士1.0 withrrbutanol(solvent:[HeMIM]CD 结果表明,用乙醇作为凝固浴得到的再生丝素膜 的拉伸强度比用正丁醇作凝固浴的再生丝素膜略大一 些,而两者的断裂伸长率则比较接近.与Haeyong报 道的[2I]丝素蛋白水溶液中再生的丝素膜相比,从离子 液体中再生的丝素膜拉伸强度要优于从水溶液中再生 的丝素膜(机械强度4.5MPa.断裂伸长率为1O),而 断裂伸长率则相差不大.说明从离子液体中再生的丝 素具有良好的湿态机械强度,适合用于生物材料. 实验中材料在水中的稳定性通过测定再生丝素膜 在PBS缓冲液中的溶失率来表征.经乙醇固化的再生 丝素膜在PBS缓冲液中浸泡1,5和10d的溶失率分别 为2.8,2.0和2.2I而经正丁醇固化的再生丝素 膜的溶螺旋romol,2001,29:9197? 和无规构象易于在水中溶解,所以再生丝素膜较小的 [9]ZhaoC,YaoJM,MasudaH?etal?[J].Biopolymers, 水溶失率应该折叠构象导致的结果.[10] H.Zha0C’eta1.[J].M.romolecuIes, 4结论2002,35:6-9. [11]FreddiG,PessinaG,TsukadaM.rJ].IntJBioMacro, 研究合成的两种室温离子液体[AMIM]C1和1999,24:251—263. [HeMIM]CI均为丝素蛋白的新型良溶剂.向丝素/离 [121Da,,idMP,LaweceFD,DebohGC,eta1.[J].JAm 子液体溶液中加入乙醇或正丁醇可获得再生丝素蛋 chemSoc2004,126:14350—14351. 白.XRD和FT—Raman研究表明再生丝素蛋白膜的[13]任强.武进. 张军,等.[J].高分子,2003,3: 构象主要是口一折叠结构.再生丝素膜的热稳定性比天448—450? 然丝素略有降低,但热分解残留物较天然丝素纤维要 [141BrancoLc,RosaJN,MouraRamosJJ,etal?[J].Chem 多.由于再生丝素蛋白膜的构象主要是f}_折叠结 构,,E”J,200,8~3671-.? 因此表现出良好的机械强度和优异的稳性.[1引 fer Deh c mlow ly E i.Be hml i ow g; S ch S . , m H i eX l a1. y P P h 瑚 ase . 参考文献:[16]YasutomoN,YoshiharuN,MasahisaW,eta1.口].JAppI PolymSci,2002,86(13):3425-3429. [11QianJH,LiuYC,LiuHY?[J].Biosensors&Bioelee.[17]MiniuraN,AibaS,HiguchiM.[J].BiochemBiophysRes tronics,1997,12:1213—1218?Commun ,1995,208:511—516. [2]TuYF,FuZQ,ChenHY?[J].SensorsandActuatorsB,[18]MontiP,TaddeiP,FreddiG,eta1.[j].Macro,2001,32 2001,8Ol101.105?(2) :103.107. [3]WangYz,BlasioliDJ?KimHJ,etal?[J]?BiomateriaIs,[191ZhangH,Mag0shiJ,BeckerM,eta1.[J].JApplPolym 2006,27l4434?4442?Sci ,2002,86:1817—1820. [4]ChiariniaA?PetriniP-BozziniS,etal?[J].Biomaterials,[203KaplanDL,FosseyS,MeIIoCM.[J1.MaterResSoc 2003,24,789—799?BuII ,1992,10l41—47. Is]WangXQ,WenkE,Hux,etal?[J]?Biomaterials,2007,[21]HaeyongK,HaHC.UmIC,eta1.[J].JApplPolym 28,4161—4169? 933. .Sei,2001,80:928— [6]陈建勇,刘冠峰,沈之荃?[J]?高等学校化 学,1999,20[22]OlegN,RetinnikoyT,YasushiT.[J].Imngmuir,2001, (1O):1646’1649?17(23) l7406—7413. [7]LiMz.WuzY,ZhangCS.[J].JApplPolymSci,2001, 79I2185-2199. Dissolutionandregeneration0fsilkfibroininroom-temperatureionicliquid ZHUHal—lin,FENGXing—xing,CHENJian-yong,GUOYu—hal,ZHA NGHua-peng (TheKeyLaboratory0fAdvancedTextileMaterialsandManufacturingTechnologyofMinistryofEducation, CollageofMaterialsandTextile,ZhejiangSci—TechUniversity,Hangzhou 310018,China) Abstract:Twonovelroom-temperatureionicliquid,1-allyl一3一 methylimidazoliumchloride[AMIM]CIand1一(2一 hydroxylethy1)一3一 methylimidazoliumchloride[HeMIM]C1werefoundtobetheexcellentsolven tsforsilkfi- broin.Thesolubilityofsilkfibroinin[AMIM]CIand[HeMIM]C1were14.5wt(100?)and8.0wt0A (80?)?respectively.Theregeneratedsilkfibroinfilmwasobtainedbyrinsingwitheitherethanolorn-Butano1. TheresultsofXRDandFT-Ramanindicatedthatb—sheetcrystalexistedinfi broinfilm.Comparedtococoonsilk fiber,theregeneratedsilkfibroinfilmshowedlowerthermalstabilityandmuchmoreresiduesofthermaldecom— position.Furthermore,theresultsofmechanicalexperimentandwater—solu bilityshowedtheregeneratedsilkfi— broinfilmhadgoodmechanicalpropertiesandwasalmostinsoluble. Keywords:silkfibroin;room-temperatureionicliquid;dissolution;regeneration