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(xué)”先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室材料與紡織學(xué)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(zhì)量分?jǐn)?shù))(100)和8.0(質(zhì)量分?jǐn)?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研究表明再生絲素蛋白膜的構(gòu)象主要是f-折疊結(jié)構(gòu).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(shí),機(jī)械性能和溶失率分析結(jié)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(jī)械性能和優(yōu)異的穩(wěn)定性.關(guān)鍵詞:絲素蛋白;室溫離子液體;溶解;再生中圖分類號(hào):0636.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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(zhì).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(xué)性質(zhì),近年來有關(guān)絲素在生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的開發(fā)和應(yīng)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(jié)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(jìn)行耗時(shí)較長(zhǎng)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(jià)格昂貴等缺點(diǎn).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(jī)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(qiáng)極性,不揮發(fā),毒性小,良好的溶解性,易回收利用等特點(diǎn),使其成為極具應(yīng)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(gè)新領(lǐng)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(duì)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(duì)再生絲素膜結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了研究.2實(shí)驗(yàn)2.1實(shí)驗(yàn)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,正丁醇等均為進(jìn)口或國(guó)產(chǎn)分析純?cè)噭?2.2室溫離子液體AMIMCI和HeMIMCI的合成分別按文獻(xiàn)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(cè)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(cè)試采用Digital公司的NanoScopeIlia原子力顯微鏡,用標(biāo)準(zhǔn)硅探針輕敲模式對(duì)樣品成像.2.4.2XRD測(cè)試采用ARL-XTRA型X射線衍射儀測(cè)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(cè)試采用Therm-Nicolet公司的FT-Raman960拉曼光譜儀測(cè)定樣品的拉曼光譜.2.4.4TGA測(cè)試采用美國(guó)PE公司PyrisDiamondTGA熱重分析儀測(cè)定樣品的熱學(xué)性能,N.保護(hù),通氣速率為2O.Oml/min,升溫范圍507o0,升溫速率為10/?基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50573068)I教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20060338001)I浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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(jiǎn)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(zhì)量約為10mg.2.4.5機(jī)械性能的測(cè)試將絲素膜在水中浸泡24h后用Instron5543型電子強(qiáng)力儀進(jìn)行強(qiáng)力拉伸實(shí)驗(yàn)(20),拉伸速率為10mm/min,夾持長(zhǎng)度為20mm.2.4.6水溶失率測(cè)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,稱取干燥后的絲素蛋白薄膜的重量(W),按下式計(jì)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(zhuǎn)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(jié)果與討論3.1AMIMCI和HeMIMCI對(duì)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(jié)構(gòu)逐漸變得松散.隨著溶解過程的繼續(xù),絲素纖維逐漸變細(xì)變短,直至溶解.完全溶解時(shí),偏光顯微鏡下呈現(xiàn)黑場(chǎng).研究發(fā)現(xiàn),溫度對(duì)絲素的溶解有較大的影響.8O時(shí),絲素在AMIMCI中的溶解度為9.1(質(zhì)量分?jǐn)?shù)).當(dāng)溫度升高至100時(shí),絲素的溶解度可達(dá)14.5(質(zhì)量分?jǐn)?shù)).而對(duì)于HeMIMCI,由于含羥基的季銨鹽對(duì)熱穩(wěn)定性比常規(guī)季銨鹽要低,雖然文獻(xiàn)E14-I報(bào)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(shí)采用的溫度為8O,在此溫度下,絲素在HeMIMCI中的溶解度為8(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右.3.2AMIMC1和HeMIMJC1溶解絲素的機(jī)理探討文獻(xiàn)12報(bào)道絲素的溶解性與離子液體中的陰陽離子都有關(guān)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,其原因可能是強(qiáng)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(zhì)量分?jǐn)?shù))絲的素的AMIMC1離子液體溶液(從100冷卻至25);(e)8(質(zhì)量分?jǐn)?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(gè)強(qiáng)衍射峰和一個(gè)較弱的衍射峰,這兩個(gè)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(gòu)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不同,是一個(gè)寬的非晶衍射峰,說明離子液體能夠破壞絲素的結(jié)晶結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)由于甲醇和乙腈能與室溫離子液體互溶,文獻(xiàn)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(rèn)為絲素蛋白有兩種結(jié)晶結(jié)構(gòu),即SilkI和SilkII.SilkI的主要構(gòu)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=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(gòu)象向B一折疊構(gòu)象的轉(zhuǎn)變.lallb】圖2再生絲素膜的AFM圖Fig2AFMsurfaceimagesoftheregeneratedsilkfibroinfilmrinsedwithethanolandnbutanolFT-Raman光譜法是測(cè)定絲素蛋白構(gòu)象的常用方法之一.根據(jù)報(bào)道,絲素f.折疊構(gòu)象的拉曼特征峰在1084,1229和1670cm.1附近,而無規(guī)卷曲和a一螺旋構(gòu)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(gòu)象為折疊,拉曼光譜測(cè)定的結(jié)果與XRD結(jié)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)和DTG曲線(圖5)上都有1個(gè)明顯的熱轉(zhuǎn)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(jié)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(cè)鏈?zhǔn)艿狡茐囊鸬?.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(jié)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(shí),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(duì)絲素的熱分解殘留量無影響.Temperare/*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(jī)械性能和穩(wěn)定性機(jī)械性能和在水中的穩(wěn)定性是決定材料應(yīng)用的關(guān)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(shí)驗(yàn)中,機(jī)械拉伸曲線也是在濕態(tài)條件下測(cè)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(jī)械拉伸強(qiáng)度.表1再生絲素膜的機(jī)械強(qiáng)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(solvent: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(jié)果表明,用乙醇作為凝固浴得到的再生絲素膜的拉伸強(qiáng)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(zhǎng)率則比較接近.與Haeyong報(bào)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(qiáng)度要優(yōu)于從水溶液中再生的絲素膜(機(jī)械強(qiáng)度4.5MPa.斷裂伸長(zhǎng)率為1O),而斷裂伸長(zhǎng)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(jī)械強(qiáng)度,適合用于生物材料.實(shí)驗(yàn)中材料在水中的穩(wěn)定性通過測(cè)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(gòu)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(yīng)該折疊構(gòu)象導(dǎo)致的結(jié)果.10H.Zha0Ceta1.J.M.romolecuIes,4結(jié)論2002,35:6-9.11FreddiG,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(qiáng).武進(jìn).張軍,等.J.高分子,2003,3:構(gòu)象主要是口一折疊結(jié)構(gòu).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141BrancoLc,RosaJN,MouraRamosJJ,etal?J.Chem多.由于再生絲素蛋白膜的構(gòu)象主要是f_折疊結(jié)構(gòu),E”J,200,83671-.?因此表現(xiàn)出良好的機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)異的穩(wěn)性.1引ferDehcmlowlyEi.Behmliowg;SchS.,mHieXla1.yPPh瑚ase.參考文獻(xiàn):16YasutomoN,YoshiharuN,MasahisaW,eta1.口.JAppIPolymSci,2002,86(13):3425-3429.11QianJH,LiuYC,LiuHY?J.Biosensors&Bioelee.17MiniuraN,AibaS,HiguchiM.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,2002,86:18171820.4ChiariniaA?PetriniP-BozziniS,etal?J.Biomaterials,203KaplanDL,FosseyS,MeIIoCM.J1.MaterResSoc2003,24,789799?BuII,1992,10l4147.IsWangXQ,WenkE,Hux,etal?J?Biomaterials,2007,21HaeyongK,HaHC.UmIC,eta1.J.JApplPolym28,41614169?.Sei,2001,80:928933.6陳建勇,劉冠峰,沈之荃?J?高等學(xué)校化學(xué),1999,2022OlegN,RetinnikoyT,YasushiT.J.Imngmuir,2001,(1O):16461649?17(23)l74067413.7LiMz.WuzY,ZhangCS.J.JApplPolymSci,2001,79I2185-2199.Dissolutionandregeneration0fsilkfibroininroom-temperatureionicliquidZHUHallin,FENGXingxing,CHENJian-yong,GUOYuhal,ZHANGHua-peng(TheKeyLaboratory0fAdvancedTextileMaterialsandManufacturingTechnologyofMinistryofEducation,CollageofMaterialsandTextile,ZhejiangSciTechUniversity,Hangzhou310018,China)Abstract:Twonovelroom-temperatureionicliquid,1-allyl一3一methylimidazoliumchlorideAMIMCIand1一(2一hydroxylethy1)一3一methylimidazoliumchlorideHeMIMC1werefoundtobetheexcellentsolventsforsilkfi-broin.ThesolubilityofsilkfibroininAMIMCIandHeMIMC1were14.5wt(100)and8.0wt0A(80)?respectively.Theregeneratedsilkfibroinfilmwasobtainedbyrinsingwitheitherethanolorn-Butano1.TheresultsofXRDandFT-Ramanindicatedthatbsheetcrystalexistedinfibroinfilm.Comparedtococoonsilkfiber,theregeneratedsilkfibroinfilmshowedlowerthermalstabilityandmuchmoreresiduesofthermaldecomposition.Furthermore,theresultsofmechanicalexperimentandwatersolubilityshowedtheregeneratedsilkfibroinfilmhadgoodmechanicalpropertiesandwasalmostinsoluble.Keywords:silkfibroin;room-temperatureionicliquid;dissolution;regeneration