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1、絲素蛋白在室溫離子液體中的溶解與再生性能研究助材料2008年第10期(39)卷絲素蛋白在室溫離子液體中的溶解與再生性能研究朱海霖,馮新星,陳建勇,郭玉海,張華鵬(浙江理工大學”先進紡織材料與制備技術”教育部重點實驗室材料與紡織學院,浙江杭州310O18)摘要:宣溫離子液體l一烯丙基一3一甲基氯代咪唑和1一(2一羥乙基)一3一甲基氯代咪唑是絲素蛋白的新型良溶劑.絲素蛋白在1一烯丙基-3-甲基氯代咪唑和1-(2-羥乙基)一3一甲基氯代咪唑中的溶解度分別為14.5(質量分數(shù))(100)和8.0(質量分數(shù))(80).向離子液體絲素溶液中加入乙醇或正丁醇可獲得再生絲素蛋白.XRD和FT-Raman研究表

2、明再生絲素蛋白膜的構象主要是f-折疊結構.TGA數(shù)據(jù)表明再生絲素蛋白的熱穩(wěn)定性比天然絲素纖維有所降低,熱失重殘留物有所增加.同時,機械性能和溶失率分析結果顯示從離子液體中再生的絲素蛋白表現(xiàn)出良好的濕態(tài)機械性能和優(yōu)異的穩(wěn)定性.關鍵詞:絲素蛋白;室溫離子液體;溶解;再生中圖分類號:0636.9文獻標識碼:A文章編號:1001-9731(2008)10-1710-041引言絲素蛋白是蠶絲的主要組成部分,約占總重量的75,是一種天然的蛋白質.由于絲素蛋白具有良好的生物相容性和優(yōu)異的物理,化學性質,近年來有關絲素在生物和醫(yī)學領域的開發(fā)和應用研究很活躍,如用于固定化酶材料1矗,組織工程材料3棚,藥物控制釋

3、放材料5,人工皮膚7等.天然絲素纖維含有大量分子內(nèi)和分子間氫鍵,結晶度較高而難溶解于一般的溶劑.目前常用的溶解體系是CaCI2-GH5OH-H20體系和LiBr溶液.絲素經(jīng)混合溶劑溶解后需要進行耗時較長的透析過程,而且得到的絲素水溶液容易凝膠化.近年來,研究者開發(fā)了其它一些能夠溶解絲素纖維的溶劑,如甲酸8,六氟異丙醇,六氟丙酮和N一甲基嗎啉一N_氧化物一水和物11等,而這些溶劑或多或少存在有毒害,不穩(wěn)定,不易回收,價格昂貴等缺點.室溫離子液體是完全由離子組成的液體,在室溫和近乎子室溫呈液態(tài)的熔融鹽體系.它一般由含氮,磷的有機陽離子與鹵素,四氟硼酸根等陰離子組成.由于室溫離子液體具備強極性,不揮

4、發(fā),毒性小,良好的溶解性,易回收利用等特點,使其成為極具應用前景的綠色環(huán)保型溶劑.最近,David等12發(fā)現(xiàn)1一丁基一3一甲基咪唑氯代離子液體可以溶解絲素纖維,為絲素溶劑體系的開發(fā)研究開辟了一個新領域.合成了兩種室溫離子液體:1一烯丙基一3一甲基氯代咪唑(AMIMCI)和I-(2-羥乙基-3-甲基氯代咪唑(HeMIMCI),這兩種離子液體對絲素具有較好的溶解能力.本文通過將絲素/離子液體溶液浸漬在不同溶劑中得到再生絲素膜,并對再生絲素膜結構與性能進行了研究.2實驗2.1實驗材料與儀器家蠶絲(浙江桐鄉(xiāng));N一甲基咪唑(江蘇鹽城藥物化工廠,純度>99);烯丙基氯,羥乙基氯,無水乙醇,正丁醇等

5、均為進口或國產(chǎn)分析純試劑.2.2室溫離子液體AMIMCI和HeMIMCI的合成分別按文獻13,l4制備了AMIMCl和HeMIMCI,并經(jīng)HNMR確證.2.3絲素在室溫離子液體中的溶解將脫膠的絲纖維分別加入到AMIMCl和HeMIMCI中,在8OIooC油浴中施以磁力攪拌.溶解過程可用Leica-DMLP偏光顯微鏡觀察.2.4絲素的再生與性能測試將絲素/離子液體溶液均勻鋪在玻璃板上,分別用乙醇和正丁醇浸泡30min.將再生的絲素膜取出,用去離子水清洗干凈.將再生絲素在室溫下自然晾干,可得到白色透明的再生絲素膜層.2.4.1AFM測試采用Digital公司的NanoScopeIlia原子力顯微鏡

6、,用標準硅探針輕敲模式對樣品成像.2.4.2XRD測試采用ARL-XTRA型X射線衍射儀測定樣品的XRD譜,在CuKa射線下,管電壓45kV,管電流40mA,掃描速度為2./min,角度范圍為545.2.4.3拉曼測試采用Therm-Nicolet公司的FT-Raman960拉曼光譜儀測定樣品的拉曼光譜.2.4.4TGA測試采用美國PE公司PyrisDiamondTGA熱重分析儀測定樣品的熱學性能,N.保護,通氣速率為2O.Oml/min,升溫范圍507o0,升溫速率為10/?基金項目:國家自然科學基金資助項目(50573068)I教育部博士點基金資助項目(20060338001)I浙江省自然

7、科學基金資助項目(Y405459)收到初稿日期:2008-04一II收到修改稿日期:2008?0731通訊作者:陳建勇作者簡介:朱海霖(1978一),女,浙江桐鄉(xiāng)人.講師,主要從事功能材料,生物材料研究.朱海霖等:絲素蛋白在室溫離子液體中的溶解與再生性能研究min,樣品質量約為10mg.2.4.5機械性能的測試將絲素膜在水中浸泡24h后用Instron5543型電子強力儀進行強力拉伸實驗(20),拉伸速率為10mm/min,夾持長度為20mm.2.4.6水溶失率測試稱取干態(tài)絲素蛋白薄膜重量(w),將其浸入磷酸鹽緩沖液(PBS)中,于37下放置1,5和10d取出,在7O下干燥5h,稱取干燥后的絲

8、素蛋白薄膜的重量(W),按下式計算水溶失率(S):S():f)-TJJ11O0W2.5離子液體的再生將混有離子液體的乙醇和正丁醇溶液置于旋轉蒸發(fā)儀上,減壓蒸餾除去溶劑,可回收離子液體.回收的離子液體可再次用于絲素的溶解,單次回收率為9O.3結果與討論3.1AMIMCI和HeMIMCI對絲素的溶解性能絲素在AMIMCI和HeMIMC1中的溶解可以通過偏光顯微鏡觀察.在偏光顯微鏡下觀察到,脫膠絲素纖維在室溫離子液體中首先發(fā)生溶脹,由絲素纖維組成的集束結構逐漸變得松散.隨著溶解過程的繼續(xù),絲素纖維逐漸變細變短,直至溶解.完全溶解時,偏光顯微鏡下呈現(xiàn)黑場.研究發(fā)現(xiàn),溫度對絲素的溶解有較大的影響.8O時

9、,絲素在AMIMCI中的溶解度為9.1(質量分數(shù)).當溫度升高至100時,絲素的溶解度可達14.5(質量分數(shù)).而對于HeMIMCI,由于含羥基的季銨鹽對熱穩(wěn)定性比常規(guī)季銨鹽要低,雖然文獻E14-I報道HeMIMCI能在90穩(wěn)定存在,但考慮到溫度超過90含羥基的季銨鹽有可能發(fā)生分解,因此本文在用HeMIMCl溶解絲素時采用的溫度為8O,在此溫度下,絲素在HeMIMCI中的溶解度為8(質量分數(shù))左右.3.2AMIMC1和HeMIMJC1溶解絲素的機理探討文獻12報道絲素的溶解性與離子液體中的陰陽離子都有關系.含Cl一的離子液體能夠溶解絲素,而含I一,B,A1CI7的離子液體則不能溶解絲素,其原因

10、可能是強氫鍵接受體Cl一可以破壞絲素分子內(nèi)或分子間氫鍵,從而使絲素纖維溶解.圖1(a),(d)和(e)分別為絲素纖維和溶解于兩種離子液體后絲素的XRD譜圖.從圖1中可以看出(a)天然絲素纖維;(b)經(jīng)乙醇再生的絲素膜;(c)經(jīng)正丁醇再生的絲素膜;(d)10(質量分數(shù))絲的素的AMIMC1離子液體溶液(從100冷卻至25);(e)8(質量分數(shù))絲素的HeMIMCI離子液體溶液(從100冷卻至25),絲素纖維在2O和24.(2)分別出現(xiàn)一個強衍射峰和一個較弱的衍射峰,這兩個衍射峰是Silk(B-折疊)的特征峰,表明絲素纖維主要為p一折疊構象1引.而絲素溶于離子液體后的衍射圖譜與未溶解的絲素纖維截然

11、不同,是一個寬的非晶衍射峰,說明離子液體能夠破壞絲素的結晶結構,絲素在離子液體中主要以非晶態(tài)(無規(guī)卷曲形態(tài))存在.圖1X射線衍射圖Fig1XRDpatterns3.3再生絲素膜的結構由于甲醇和乙腈能與室溫離子液體互溶,文獻123采用這兩種溶劑作為絲素的再生試劑.考慮到甲醇和乙腈毒性較大,本文嘗試采用低毒性的乙醇和正丁醇作為再生試劑.圖2為再生絲素膜的表面AFM照片.從圖2可以看出,經(jīng)乙醇和正丁醇固化的再生絲素膜表面平坦均勻.一般認為絲素蛋白有兩種結晶結構,即SilkI和SilkII.SilkI的主要構象是a一螺旋,衍射峰在20=12.2和28.2.處;而Silk(B一折疊)的主要衍射峰在28=

12、18.9,20.7和24.O.處【1”.圖1(b)和(c)為再生絲素膜的XRD譜圖.從圖2中可以看出,經(jīng)乙醇和正丁醇處理的再生絲素蛋白膜在2O和24.存在特征峰,顯示出與絲素纖維相同的特征峰,說明乙醇和正丁醇的加入引起了絲素從無規(guī)卷曲構象向B一折疊構象的轉變.lallb】圖2再生絲素膜的AFM圖Fig2AFMsurfaceimagesoftheregeneratedsilkfibroinfilmrinsedwithethanolandnbutanolFT-Raman光譜法是測定絲素蛋白構象的常用方法之一.根據(jù)報道,絲素f.折疊構象的拉曼特征峰在1084,1229和1670cm.1附近,而無規(guī)卷

13、曲和a一螺旋構象的特征峰在1245,1270和1645cmI1附近1.圖3為再生絲素膜和絲素纖維的拉曼光譜圖.從圖3中可以看出,再生絲素膜的拉曼特征吸收峰與絲素纖維的特征峰類似,均出現(xiàn)于1084,1229和1670cm-1附近,說明再生絲素膜的主要構象為折疊,拉曼光譜測定的結果與XRD結果一致.助能材(39)卷圖3絲纖維與再生絲素膜的拉曼光譜圖Fig3FT-Ramanspectraofthesilkfiber,theregeneratedsilkfibroinfilmrinsedwithethanolandn-butanol3.4再生絲素膜的TGA和DTG分析絲素纖維和再生絲素膜的TGA(圖4

14、)和DTG曲線(圖5)上都有1個明顯的熱轉變區(qū)域(300左右).如圖4,5所示,加熱到100,絲素纖維和再生絲素膜失重為8左右,可歸結為吸附微量水的脫附【1婦;從29O500,絲素纖維和再生絲素膜失重為60左右,主要是絲素分子間側鏈受到破壞引起的2.從圖中可以看出,再生絲素膜的最大熱分解溫度較天然絲素纖維有所降低,一定程度上反映了其熱穩(wěn)定性略有降低.原因可能是天然絲素纖維分子量大,結晶度較高,而從兩種室溫離子液體中得到的再生絲素由于溶劑的作用,部分分子鏈斷裂,使得分子量比天然絲素纖維的分子量有所降低.同時,再生絲素膜熱分解殘留物較天然絲素纖維要多,但不同的離子液體對絲素的熱分解殘留量無影響.T

15、emperare/*C圖4絲纖維與再生絲素膜的TG曲線圖Fig4Thermogravimetriccurvesofthesilkfiber,thesilkfibroinregeneratedfromAMIMCIandHeMIMCITemperatm/C圖5絲纖維與再生絲素的DTG曲線圖Fig5DTGcurvesofthesilkfiber,thesilkfibroinregeneratedfromAMIMJC1andHeMIMCI3.5再生絲素的機械性能和穩(wěn)定性機械性能和在水中的穩(wěn)定性是決定材料應用的關鍵因素.由于生物材料基本都是在濕態(tài)條件下使用,因此在本實驗中,機械拉伸曲線也是在濕態(tài)條件下測

16、得的.表1顯示了從兩種離子液體中再生的絲素膜的濕態(tài)機械拉伸強度.表1再生絲素膜的機械強度Table1Mechanicalpropertiesoftheregeneratedsilkfibroinfilms(N=3.Mean+SD)TensilestrengthElongationatbreak(MPa)()Theregeneratedsilkfibroinfilmrinsed17.0士2.1l1.5士1.7withethanol(solvent:AMIMC1)Theregeneratedsilkfibroinfilmrinsed18.3士2.51O.1士1.5withethanol(solve

17、nt:HeMIMCI)Theregeneratedsilkfibroinfilmrinsed15.9士1.41O.9士1.1withn-butanol(solvent:AMIMC1)Theregeneratedsilkfibroinfilmrinsed15.1士1.81O.6士1.0withrrbutanol(solvent:HeMIMCD結果表明,用乙醇作為凝固浴得到的再生絲素膜的拉伸強度比用正丁醇作凝固浴的再生絲素膜略大一些,而兩者的斷裂伸長率則比較接近.與Haeyong報道的2I絲素蛋白水溶液中再生的絲素膜相比,從離子液體中再生的絲素膜拉伸強度要優(yōu)于從水溶液中再生的絲素膜(機械強度4.5

18、MPa.斷裂伸長率為1O),而斷裂伸長率則相差不大.說明從離子液體中再生的絲素具有良好的濕態(tài)機械強度,適合用于生物材料.實驗中材料在水中的穩(wěn)定性通過測定再生絲素膜在PBS緩沖液中的溶失率來表征.經(jīng)乙醇固化的再生絲素膜在PBS緩沖液中浸泡1,5和10d的溶失率分別為2.8,2.0和2.2I而經(jīng)正丁醇固化的再生絲素膜的溶螺旋romol,2001,29:9197?和無規(guī)構象易于在水中溶解,所以再生絲素膜較小的9ZhaoC,YaoJM,MasudaH?etal?J.Biopolymers,水溶失率應該折疊構象導致的結果.10H.Zha0Ceta1.J.M.romolecuIes,4結論2002,35:

19、6-9.11FreddiG,PessinaG,TsukadaM.rJ.IntJBioMacro,研究合成的兩種室溫離子液體AMIMC1和1999,24:251263.HeMIMCI均為絲素蛋白的新型良溶劑.向絲素/離121Da,idMP,LaweceFD,DebohGC,eta1.J.JAm子液體溶液中加入乙醇或正丁醇可獲得再生絲素蛋chemSoc2004,126:1435014351.白.XRD和FTRaman研究表明再生絲素蛋白膜的13任強.武進.張軍,等.J.高分子,2003,3:構象主要是口一折疊結構.再生絲素膜的熱穩(wěn)定性比天448450?然絲素略有降低,但熱分解殘留物較天然絲素纖維要

20、141BrancoLc,RosaJN,MouraRamosJJ,etal?J.Chem多.由于再生絲素蛋白膜的構象主要是f_折疊結構,E”J,200,83671-.?因此表現(xiàn)出良好的機械強度和優(yōu)異的穩(wěn)性.1引ferDehcmlowlyEi.Behmliowg;SchS.,mHieXla1.yPPh瑚ase.參考文獻:16YasutomoN,YoshiharuN,MasahisaW,eta1.口.JAppIPolymSci,2002,86(13):3425-3429.11QianJH,LiuYC,LiuHY?J.Biosensors&Bioelee.17MiniuraN,AibaS,Hi

21、guchiM.J.BiochemBiophysRestronics,1997,12:12131218?Commun,1995,208:511516.2TuYF,FuZQ,ChenHY?J.SensorsandActuatorsB,18MontiP,TaddeiP,FreddiG,eta1.j.Macro,2001,322001,8Ol101.105?(2):103.107.3WangYz,BlasioliDJ?KimHJ,etal?J?BiomateriaIs,191ZhangH,Mag0shiJ,BeckerM,eta1.J.JApplPolym2006,27l4434?4442?Sci,2

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24、chnologyofMinistryofEducation,CollageofMaterialsandTextile,ZhejiangSciTechUniversity,Hangzhou310018,China)Abstract:Twonovelroom-temperatureionicliquid,1-allyl一3一methylimidazoliumchlorideAMIMCIand1一(2一hydroxylethy1)一3一methylimidazoliumchlorideHeMIMC1werefoundtobetheexcellentsolventsforsilkfi-broin.Th

25、esolubilityofsilkfibroininAMIMCIandHeMIMC1were14.5wt(100)and8.0wt0A(80)?respectively.Theregeneratedsilkfibroinfilmwasobtainedbyrinsingwitheitherethanolorn-Butano1.TheresultsofXRDandFT-Ramanindicatedthatbsheetcrystalexistedinfibroinfilm.Comparedtococoonsilkfiber,theregeneratedsilkfibroinfilmshowedlowerthermalstabilityandmuchmoreresiduesofthermaldecomposition.Furthermore,theresultsofmechanicalexperimentandwatersolubilityshowedtheregeneratedsilkfibroinfilmhadgoodmechanicalpropertiesandwasalmostinsoluble.Keywords:silkfibroin;room-temperatureionicliquid;dissolution;regeneration