[doc格式] 絲素蛋白在室溫離子液體中的溶解與再生性能研究

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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(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

2、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(lèi)號(hào):0636.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1001-9731(2008)10-1710-04 1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

3、來(lái)有關(guān)絲 素在生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的開(kāi)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(guò)程,而且得到的絲素水溶液容易凝膠化. 近年來(lái),研究者開(kāi)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

4、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(yáng)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(kāi)發(fā)研究開(kāi)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(~AMIM]CI)和I-(2-羥乙基-3-甲基氯代咪唑 ([HeMIM]CI),這兩種離子液體對(duì)絲素具有較好的溶 解能力.本文

5、通過(guò)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(chǎng),純度>99);烯丙基氯,羥乙基氯,無(wú)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[AMIM]CI和[HeMIM]CI的合 成 分別按文獻(xiàn)[13,l4]制備了[AMIM]Cl和 [HeMIM]CI,并經(jīng)H—NMR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[AMIM’]Cl和 [HeMIM]CI中,在8O～I(xiàn)oo’C油浴中施以磁力攪拌.

6、溶解過(guò)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-X’TRA型X射線(xiàn)衍射儀測(cè)定樣品的 XRD譜,在CuKa射線(xiàn)下,管電壓45kV,管電流 40mA,掃描速度為2./min,角度范圍為5～45.. 2.4.3拉曼測(cè)

7、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50～7o0℃,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?07—31通訊作者:陳建勇 作者簡(jiǎn)介:朱海霖(1978一),女,浙江桐鄉(xiāng)人

8、.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(chēng)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(chēng)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)--—TJJ11O0 W 2.5離子液體

9、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 3.1[AMIM]CI和[HeMIM]CI對(duì)絲素的溶解性能 絲素在[AMIM]CI和[HeMIM]C1中的溶解可以 通過(guò)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(guò)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[AMIM]CI

10、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 [HeMIM]CI,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[HeMIM]CI能在 90℃穩(wěn)定存在,但考慮到溫度超過(guò)90℃含羥基的季銨 鹽有可能發(fā)生分解,因此本文在用[HeMIM]Cl溶解 絲素時(shí)采用的溫度為8O℃,在此溫度下,絲素在 [HeMIM]CI中的溶解度為8(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右. 3.2[AMIM]C1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(yáng) 離子都有關(guān)系.含Cl一的離子液體能夠

11、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[AMIM]C1離子液體溶液(從 100℃冷卻至25℃);(e)8(質(zhì)量分?jǐn)?shù))絲素的 [HeMIM]CI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

12、兩個(gè)衍射峰是SilkⅡ(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(shuō)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(wú) 規(guī)卷曲形態(tài))存在. 圖1X射線(xiàn)衍射圖 Fig1XRDpatterns 3.3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

13、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SilkⅡ(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(shuō) 明乙醇和正丁醇的加入引起了絲素從無(wú)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 Fig2AFMsurfaceimagesoftheregenera

14、tedsilkfi— broinfilmrinsedwithethanolandn—butanol FT-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(wú)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(lèi)似,均出現(xiàn)于1084,1229和1670cm-1附近, 說(shuō)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)

15、卷 圖3絲纖維與再生絲素膜的拉曼光譜圖 Fig3FT-Ramanspectraofthesilkfiber,theregener— atedsilkfibroinfilmrinsedwithethanolandn- butanol 3.4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(xiàn)(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 29O～500℃,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鸬腫2.從圖

16、 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(wú)影響. Tempera~re/*C 圖4絲纖維與再生絲素膜的TG曲線(xiàn)圖 Fig4Thermogravimetriccurvesofthesilkfiber,the silkfibroinregeneratedfrom[AM

17、IM]CIand [HeMIM]CI Temperat~m/’C 圖5絲纖維與再生絲素的DTG曲線(xiàn)圖 Fig5DTGcurvesofthesilkfiber,thesilkfibroinre— generatedfrom[AMIMJC1and[HeMIM]CI 3.5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(xiàn)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 Table1Mechanicalproper

18、tiesoftheregeneratedsilkfibroinfilms(N=3.Mean+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) Theregeneratedsilkfibroinfilmrins

19、ed 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 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

20、 斷裂伸長(zhǎng)率則相差不大.說(shuō)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(guò)測(cè)定再生絲素膜 在PBS緩沖液中的溶失率來(lái)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(wú)規(guī)構(gòu)象易于在水中溶解,所以再生絲素膜較小的[9]ZhaoC,YaoJM,MasudaH?etal?[J].Biopolymers, 水溶失率應(yīng)該折疊構(gòu)象導(dǎo)致的結(jié)果.[10] H.Zha0C’eta1.[J].M.romolecuIe

21、s, 4結(jié)論2002,35:6-9. [11]FreddiG,PessinaG,TsukadaM.rJ].IntJBioMacro, 研究合成的兩種室溫離子液體[AMIM]C1和1999,24:251—263. [HeMIM]CI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chemSoc2004,126:14350—14351. 白.XRD和FT—Raman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

22、結(jié)構(gòu).再生絲素膜的熱穩(wěn)定性比天448—450? 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,200,8~3671-.? 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 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 . 參考文獻(xiàn):[16]YasutomoN,Yoshihar

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27、i—TechUniversity,Hangzhou310018,China) Abstract:Twonovelroom-temperatureionicliquid,1-allyl一3一methylimidazoliumchloride[AMIM]CIand1一(2一 hydroxylethy1)一3一methylimidazoliumchloride[HeMIM]C1werefoundtobetheexcellentsolventsforsilkfi- broin.Thesolubilityofsilkfibroinin[AMIM]CIand[HeMIM]C1were14.5wt(1

28、00℃)and8.0wt0A (80℃)?respectively.Theregeneratedsilkfibroinfilmwasobtainedbyrinsingwitheitherethanolorn-Butano1. TheresultsofXRDandFT-Ramanindicatedthatb—sheetcrystalexistedinfibroinfilm.Comparedtococoonsilk fiber,theregeneratedsilkfibroinfilmshowedlowerthermalstabilityandmuchmoreresiduesofthermaldecom— position.Furthermore,theresultsofmechanicalexperimentandwater—solubilityshowedtheregeneratedsilkfi— broinfilmhadgoodmechanicalpropertiesandwasalmostinsoluble. Keywords:silkfibroin;room-temperatureionicliquid;dissolution;regeneration