（纺织材料与纺织品设计专业论文）再生蓖麻蚕丝素蛋白的结构与性能研究[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

再生蓖麻蚕丝素蛋白的研究与性能研究中文摘要 再生蓖麻蚕丝素蛋白的结构与性能研究 摘要 本文利用扫描电镜、红外光谱、x 射线衍射以及热分析法观察研究了蓖麻蚕茧丝 脱胶前后的表面形态和二级结构。研究表明，脱胶后的蓖麻蚕丝为原纤结构，表面有 凹槽及较多的毛羽，其二级结构主要为b 折叠结构为主，同时存在a 螺旋结构。室 温制得的再生蓖麻蚕丝素蛋白膜含有较多的s i l ki 结构。 文章还考察了蓖麻蚕脱胶丝的溶解性，研究表明蓖麻蚕丝素纤维在碱溶液中难溶 解，而在一定浓度的盐酸、磷酸、硫酸中易溶解。熔融的硝酸钙溶液对丝素纤维的溶 解效果很好。硫氰酸锂溶液的浓度越高，丝素纤维的溶解效果越好。 实验研究了在2 7 种不同的纺丝参数下纺制的静电纺再生蓖麻蚕丝素蛋白非织造 网的纤维直径，发现，浓度越高，非织造网纤维直径越细，最细可达5 0 n m ，而电压 以及接受距离对直径的影响趋势则不明显。非织造网的二级结构主要以s i l ki 为主。 利用五种不同浓度的乙醇溶液对非织造网进行后处理，发现经过9 9 的乙醇溶 液处理后的非织造网的形态结构以及二级结构无明显变化。而经过8 7 5 、7 5 、先 9 9 再7 5 以及先8 7 5 再7 5 的乙醇溶液处理后，纤维表面出现蚀孔以及粘连， 同时部分a 螺旋结构向p 折叠结构转变。气蒸处理后，纤维粘连，p 一折叠结构增加， 热稳定性增强。 未经过后处理的非织造网在3 7 c 的水溶液中溶解率达4 0 0 6 0 左右。在纺丝液浓度 为l o w t 时，随着接受距离或者电压的增加，非织造网的断裂强度呈下降趋势，断 裂伸长率的变化趋势不明显，但其差异较大。 在经过乙醇溶液后处理过的非织造网上种植小鼠成纤维细胞，观察1 6 天，可 发现细胞成活、生长、分化和增殖，说明非织造网对细胞无毒性。 关键词：蓖麻蚕丝，静电纺，非织造网，后处理，成纤维细胞 作者：徐梅 指导老师：左保齐 再生蓖麻蚕丝素纤维的结构与性能研究 英文摘要 s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so fr e g e n e r a t e ds i l kf i b r o i n f r o ms a m i a c y n t h i a r i c i n i a b s t r a c t s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) 、i n f r a r e ds p e c t r a ( i r ) 、x - r a yd i f f r a c t i o na n d t h e r m a la n a l y s i s ( t g ) w e r eu s e dt oo b s e r v et h es u r f a c ea p p e a r a n c ea n ds e c o n d a r ys t r u c t u r e o ft h ed e g u m m e ds a m i ac y n t h i ar i c i n is i l k t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed e g u m m e ds a m i a c y n t h i ar i c i n is i l kw a sf i b r i ls t n 】c t l l r e t h e r ew e r eg a ba n dm a n yf i l o p l u m ei ni t ss u r f a c e t h es e c o n d a r ys t r u c t u r eo fd e g t m a m e ds a m i ac y n t h i ar i c i n is i l kf i b r o i nw a sp - s h e e t s t r u c t u r ea n da h e l i xc o n f o r m a t i o n t h es e c o n d a r ys t r u c t u r eo ft h er e g e n e r a t e ds a m i a c y n t h i ar i c i n i s i l kf i l mw h i c hp r e p a r e da tt h er o o mt e m p e r a t ew a sa l s or e s e a r c h e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ew a sm a i n l ys i l kis t m c t u r ei nt h er e g e n e r a t e df i l m s a m i ac y n t h i ar i c i n is i l kf i b r o i nw a si n d i s s o l v a b l ei na l k a l is o l u t i o na n de a s yt o d i s s o l v ei nac e n a i nc o n c e n t r a t i o no fh y d r o c h l o r i ca c i d ，p h o s p h o ra c i d ，a n ds u l p h u r i ca c i d s i l kf i b r o i nw a sd i s s o l v eb e t t e ri nt h em o l t e nc a l c i u mn i t r a t es o l u t i o n t h ec o n c e n t r a t i o no f t h el i t h i u mt h i c c y a n a t es o l u t i o nw a sh i g h e r , t h ed i s s o l v ee f f e c tw a sb e t t e r t h ee l e c t r o s p u nn o n - w o v e nw e bf r o mt h er e g e n e r a t e ds a m i ac y n t h i ar i c i n is i l kf i b r o i n w a se l e c t r o s p u n n e dw i t h2 7p a r a m e t e r t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o w e dt h a tw i t ht h ei n c r e a s e o ft h ee l e c t r o n s p u nc o n c e n t r a t i o n ，t h ed i a m e t e r so ft h en o n - w o v e nw e bf i b e r sw e r ef i n e t h em i n i m u md i a m e t e r sw e r e5 0 h m t h ei n f l u e n c eo fv o l t a g ea n dc o l l e c t e dd i s t a n c ew a s n o to b v i o u s l yt ot h ed i a m e t e r s t h es e c o n d a r ys t r u c t u r eo ft h en o n - w o v e nw e bc o n t a i n e d c o n s i d e r a b l es i l kis t m c t l l r e f i v ec o n c e n t r a t i o na l c o h o l i cs o l u t i o n sw e r eu s e dt oa f t e rt r e a t m e n to ft h en o n w o v e n w e b s t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta f t e rt r e a t m e n tw i t h9 9 a l c o h o l i cs o l u t i o n t h em o r p h o s i s a n ds e c o n d a r ys t r u c t u r eo ft h en o n - w o v e nw e bw e r en o tc h a n g e d o b v i o u s l y a f t e rt r e a t m e n t w i t l l8 7 5 、7 5 、9 9 7 5 、8 7 5 7 5 a l c o h o l i cs o l u t i o n , s u r f a c eo f t h en o n w o v e n w e bf i b e r sw e r ec o n g l u t i n a t i o na n dh a de r o d e dh o l e s o m e0 【h e l i xc o n f o r m a t i o nw a s c h a n g et o1 3 - s h e e ts t r u c t u r e a f t e rt r e a t m e n tw i t hp n e u m - p a r b o i l ，t h en o n w o v e nw e bf i b e r s i i 再生蓖麻蚕丝素纤维的结构与性能研究 英文摘要 w e r ec o n g l u t i n a t i o n 1 3 - s h e e ts 仃u c t u r ew a si n c r e a s e da n dt h e r m o s t a b i l i t yw a ss t r e n g t h e n t h ew a t e rs o l u t i o nl o s i n go ft h en o n w o v e nw e bw i t h o u ta f t e r - t r e a t m e n tw a s4 0 a t 3 7 。c w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no ft h es p i n n i n gs o l u t i o nw a slo w t ，t h eb r e a k i n gs t r e n g t h o ft h en o n - w o v e nw e bw a sd e c r e a s e d 、j i r i 廿1t h ei n c r e a s e do ft h ec o l l e c t e dd i s t a n c eo rv o l t a g e t h et e n d e n c yo ft h eb r e a k i n ge x t e n s i b i l i t yw a sn o to b v i o u s l y , b u tt h ed i s p a r a t i o nw a s l a r g e l 9 2 9f i b r o b l a s tc e l l sw e r eg r o w t ha tt h en o n w o v e nw e ba f t e r - t r e a t m e n tw i t h9 9 a l c o h o l i cs o l u t i o nf o r1 - 6d a y s t h er e s u l t e ds h o w e dt h a tt h el c e l lw a sa l i v e ，a d h e s i o na n d k e yw o r d s ：s a m i ac y n t h i ar i c i n is i l kf i b r o i n ，e l e c t r o s p u n , n o n - w o v e nw e b ，a f t e r t r e a t m e n t ，l 9 2 9f i b r o b l a s tc e l l s i i i w r i t t e nb y ：x u m e i s u p e r v i s e db y ：z u ob a o q i 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：硷拯 日期：砬丛，f d 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：盆垫 日期：2 墨：! 竺 导师签 再生蓖麻蚕丝素蛋白的结构与性能研究第一章绪论 第一章绪论 蚕丝是熟蚕结茧时分泌的丝液凝固而成的连续长纤维，是人类利用最早的动物纤 维之一。根据蚕和茧的品种不同，蚕丝可分为家蚕丝( 桑蚕丝) 和野蚕丝两类，野蚕 丝主要是柞蚕丝、蓖麻蚕丝和天蚕丝。野蚕丝中，蓖麻蚕丝和天蚕丝研究较少，下面 首先介绍蓖麻蚕丝的一些结构性能及其应用的研究现状。 1 1 蓖麻蚕茧丝的结构和性能研究现状 蓖麻蚕，又称为印度蚕，是一种野蚕，以蓖麻叶为食料吐丝结茧。蓖麻蚕是完全 变态的鳞翅目昆虫，具有眠性、变态、( 化蛹、化蛾) 衰老等发育现象【1 , 2 】。蓖麻蚕便 于饲养，已成为我国仅次于家蚕、柞蚕的第三大蚕【3 】。蓖麻蚕茧丝性能优良并具有独 特粗犷的风格，有广泛的开发应用前景。国内外研究的较多的是关于蓖麻蚕细胞、基 因表达等方面的研究以及在药理学方面的研究应用，涉及到蚕丝结构性能以及再生蚕 丝的研究很少【5 , 6 3 , 8 1 。 1 1 1 蓖麻蚕茧的性状 蓖麻蚕茧为淡黄色橄榄状，也有白色、褐色、褐白色。茧两端较小，中间膨大， 一端留有小孔。蓖麻蚕茧壳能剥离几层，最内层的丝为细而致密的结构。全茧量为2 1 4 克粒，茧层量为0 2 5 5 克粒，茧层率1 1 9 。茧衣较厚，约占茧层的1 3 。根据品种不 同茧丝长度不同，一般品种为3 0 0 m 左右【9 】。蓖麻蚕的茧衣又厚又多，茧层松软，缺乏 弹性，厚薄松紧差异较大。外层松似棉花，与茧衣无明显的界限；中层次之；内层紧 密，手拈有回弹声【i o 】。 蓖麻蚕茧丝解舒丝长很短，一般为1 5 - 2 5 m ，最长的也只有3 2 4 8 m 。这是由于蓖 麻蚕茧有一羽化孔样的茧头，该处的丝缕凌乱，纤度较细，中层紧，内层紧且光坦， 茧衣又多又厚，茧层各部分厚薄不匀。另外，蓖麻蚕在吐丝时具有特殊性：在留有小 孔的那端吐丝规律呈“8 字，而在茧中问的吐丝规律却是“形的。当缫丝缫到 茧内层时，茧内灌满一腔水，茧丝承受不了如此大的重力作用，容易断头而落绪，且 蓖麻蚕茧丝胶在水中的溶解度要比家蚕丝胶小得多， 因而不易缫丝】。 1 1 2 蓖麻蚕茧丝的物质组成 蓖麻蚕茧丝主要含有丝胶和丝素，其中丝胶含量约为7 1 2 ，丝素含量约为 8 5 - 9 2 ，此外还含有灰分、蜡质、色素、单宁等次要成份。这些次要成分主要分 再生蓖麻蚕丝素蛋白的结构与性能研究第一章绪论 布在丝胶中，其中蜡质含量比桑蚕茧高4 倍以上，这些茧丝蜡主要聚集在丝胶中，为 淡褐色的不透明结晶体，熔点为7 4 7 5 ，外加上它含0 1 一o 2 单宁，其可与丝 蛋白结合，形成牢固的氢链，生成缔合物而不溶于水，因此蓖麻蚕茧丝中的丝胶较难 溶解【1 2 , 1 3 】。冢田益裕认为蓖麻蚕丝胶在热水里的溶解性比家蚕丝胶低不是因为丝胶分 子结构和结晶形态上的不同，而是因为丝胶和无机物成分或者单宁一类的物质相互作 用产生了新的东西【1 4 1 。也有资料认为蓖麻蚕丝的丝胶溶解性能差和它的氨基酸组成有 关，因为蓖麻蚕丝丝胶中的极性氨基酸含量较高，特别是酸性和碱性氨基酸含量都比 较耐1 5 】。蓖麻蚕茧丝胶中的无机物主要是c a o 和k 2 0 ，其含量分别为5 l 和1 4 。 丝胶和丝素由蓖麻蚕体内的丝腺合成、分泌。蓖麻蚕的中部丝腺体比后部丝腺体 要细短得多，它不能储存丝素蛋白，其丝素蛋白主要储存在后部丝腺体中。蓖麻蚕后 部丝腺体是一个高度分化的组织，所合成的丝素蛋白的氨基酸组成有明显的特征，丙 氨酸和甘氨酸的含量占7 6 以上，而且蓖麻蚕后部丝腺体也可能合成部分丝胶蛋白 【l6 】 o 蓖麻蚕丝由两根单丝组成，平均线密度为2 7 8 3 1l d t e x ( 2 5 2 8 旦) ，与桑蚕丝接近， 精练( 脱胶) 后线密度为1 2 2 1 4 4 d t e x ( 1 1 一1 3 旦) ，比桑蚕丝粗3 0 ，茧的外层线密度 较细，中层较粗，内层中等。蓖麻蚕茧丝在茧层中排列较松散，茧丝表面粘附有许多 规则的结晶颗粒，且外层茧丝表面所粘附的结晶微粒密集重叠，中层、内层则相应减 少【9 】。小松计一借助于电子显微镜和x 射线衍射分析认为，这些结晶微粒的主要成分 为草酸钙【1 2 1 。两根单丝表面包覆有丝胶，两根单丝有时结合紧密有时分离，茧丝沿轴 向粗细不匀。单丝是由许多平行于丝轴的原纤组成，且原纤排列疏松，中间有许多空 隙，所以丝的蓬松性和柔软性好，且有良好的透气和吸湿性能【1 7 】。 1 1 3 蓖麻蚕茧丝素纤维的结构 蓖麻蚕茧丝素纤维的截面形态是不规则的钝三角形或扁平形，这可能是蓖麻蚕丝 具有良好光泽性的重要原因。蓖麻蚕丝截面结构呈现麻纹并有孔腔，其长径约为2 8 - 5 2 微米，短径约为9 - - 1 7 微米，扁平度为0 3 2 - - 0 3 4 ；纵截面有无规则的条纹【9 j 。 蓖麻蚕茧丝的丝素分子构象中除了有无规卷曲结构和d 折叠结构外，还存在a 螺 旋结构。氨基酸组成【1 8 】( 见表1 ) 主要为丙氨酸和乙氨酸，丙氨酸含量高于乙氨酸。 蓖麻蚕茧丝素氨基酸组成上的主要特点就是它所含侧基中较复杂的氨基酸含量比例 要比一般桑蚕丝高的多，而且碱性和酸性氨基酸的含量也比较高。有研究指出蓖麻蚕 茧丝中丝素结晶区的肽链主要构造近似于聚一l 一丙氨酸【l 。 2 再生蓖麻蚕丝素蛋白的结构与性能研究 第一章绪论 表1 蓖麻蚕丝素及丝胶的氨基酸组成及含量 氨基酸种类丝素氨基酸含量m 0 1 丝胶氨基酸含量m 0 1 丙氨酸5 0 5 03 8 0 乙氨酸 2 7 8 0 7 9 7 丝氨酸7 o o2 6 5 0 酪氨酸 1 0 7 0 5 5 7 天门冬氨酸 4 4 81 5 5 5 精氨酸 3 8 13 0 9 组氨酸 1 7 43 8 0 谷氨酸 1 2 31 2 3 l 赖氨酸 0 4 65 4 2 缬氨酸o 5 81 9 3 亮氨酸 o 5 00 8 7 异亮氨酸o 6 80 9 4 苯丙氨酸 0 3 5 1 3 5 脯氨酸 0 5 51 3 4 苏氨酸 o 7 27 3 5 蛋氨酸 0 0 2 ( 半) 胱氨酸 o 0 11 2 l 色氨酸 0 7 0 日本东京大学y a s u m o t on a k a z a w a , t e t s u oa s a k u r a 等人【1 9 捌曾利用n m r 研究指 出蓖麻蚕丝素的初级结构与蜘蛛牵引丝相似。蓖麻蚕丝的分子量大约为3 0 0 k d a ，含 有两个主要结构：聚丙氨酸纳米晶区和多乙氨酸非晶区，两者交替重复。聚丙氨酸区 域主要为b 折叠，而多乙氨酸区域部分为伸展p 折叠。但是当丝素为液态时，聚丙 氨酸区域7 0 的部分为0 【螺旋构象，其余为无规卷曲，而乙氨酸区域为无规卷曲状。 m i n o r uo s a n a i ，y a s u m o t on a k a z a w a 等学割2 堆2 】还研究指出，蓖麻蚕丝氨基酸组成中， 丙氨酸和乙氨酸的含量为8 2 ，与家蚕丝素相近，不同的是蓖麻蚕丝中的丙氨酸较 多而家蚕丝中乙氨酸较多( 表1 ) 。蓖麻蚕茧丝素主要的氨基酸序列为聚l 一丙氨酸 再生蓖麻蚕丝素蛋白的结构与性能研究第一章绪论 ( p l a ) 和乙氨酸区域，大约有1 0 0 个这样的重复序列。 而t t a m u r a , t k u b o t a 2 3 】利用十二烷基磺酸钠一聚丙烯酰胺凝胶电泳测出蓖麻蚕 丝丝素蛋白分子量为4 0 - - 4 5 x1 0 5 道尔顿。用a 硫基乙醇处理丝素蛋白后，产生s s 键， 推断出蓖麻蚕丝素蛋白分子链是由二硫键连接的两个同样大小的多肽组成。 蓖麻蚕茧各层丝素的结晶度不尽相同。用x 射线衍射法测试并计算得出蓖麻茧的 外、中、内三层的丝素结晶度分别为3 7 4 、3 9 4 、3 6 3 ，中层丝素的结晶度为 最高；从d s c ( 差示扫描量热法) 曲线可得知，蓖麻茧外、中、内三层丝素的热分解 吸热峰的温度分别为3 7 2 9 c 、3 8 4 2 c 、3 7 0 8 ，其中中层茧的丝素热分解吸热峰 的温度最高，这说明蓖麻茧中层茧丝素的聚集态结构比外层、内层丝素紧密和整齐【2 4 1 。 t e t s u oa s a k u r a , c h i k a k ot a n a k a 等人【2 副还利用建立的模型，研究得到蓖麻蚕丝的 一条典型氨基酸重复序列：g g a g g ( g g d g g ( a ) 1 2 g g a g d g y g a g ，并在其中导 入可细胞吸附的序列r g d ( a r g - g l y - a s p 即精氨酸一甘氨酸一天门冬氨酸) ，设计成 d g g ( a h 2 g g a a s t g r g d s p a a s ，进行细胞培养，可观察到细胞吸附及生长情况良 好。良好的物理性能及很好的细胞吸附特性使得这种丝纤维的杂化蛋白可作为生物材 料的另一种选择。 m a a e i d 等人【2 6 j 利用电泳分析研究发现蓖麻蚕丝素有三种多肽链，它们的氨基 酸组成相同，且组成特性与茧丝一致。三种多肽链中的三种主要氨基酸，即丙氨酸、 甘氨酸、丝氨酸，含量相近。丝胶蛋白则有三种或更多的多肽链，氨基酸的组成特性 与丝素相同，丝胶多肽三种片断里氨基酸的组成几乎相似，均含有丰富的天门冬氨酸、 苯丙氨酸、谷氨酸、酪氨酸、甘氨酸。研究认为丝胶与丝素的不同主要在于丝胶含有 较多的半胱氨酸。 1 1 4 蓖麻蚕茧丝胶的结构与性能 蓖麻蚕茧丝胶的氨基酸种类与丝素相似，但氨基酸含量【27 】有不同，见表1 。 张哲夫等人曾利用蓖麻蚕丝的茧衣或丝胶为原料，用国产磺化煤为离子交换剂做 层析柱，无机溶剂水和盐酸为洗脱剂。由层析图谱知道蓖麻蚕丝胶中含有大量的丝氨 酸、甘氨酸、丙氨酸以及微量的天门冬氨酸【2 7 】。 蓖麻蚕茧丝的脱胶工艺流程为预浸一洗净一初练一洗净一精练一洗净。脱胶精练 后的蓖麻蚕丝素纤维的综合物理指标比脱胶前下降，如断裂强度、强力等【2 引。从氨基 酸组成特征( 表1 ) 推测蓖麻蚕丝胶的水溶性优良，但事实相反，蓖麻蚕丝胶难溶于 水。这是因为茧丝的次要成分茧丝蜡与无机物含量较多，且大部分存在于丝胶中。无 4 再生蓖麻蚕丝素蛋白的结构与性能研究第一章绪论 机物与丝胶混在一起，把茧层的茧丝间隙埋没了，使茧层的网状结构变密，而一部分 无机物又以结晶状态析出在表面。再则蓖麻蚕茧丝的形状比较扁平，增加了茧丝之间 的接触面，这使茧层的网状结构更致密。这种结构导致了蓖麻蚕茧丝胶在物理性质上 的难溶【1 2 】。 森精，冢田益裕等【2 9 1 利用红外吸收光谱、x - 射线衍射、热分析等手段研究丝胶 的结构形态时发现，蓖麻蚕茧丝胶结构大致由四层组成，最内层为丝胶和丝素的混合 层，该层与丝素界面的锯齿状态较明显。茧衣的外、中、内层的丝胶含量逐渐减少。 蓖麻蚕茧丝中的丝胶往往难以将丝素全部包覆，组成茧丝的两根丝素微细纤维常常有 暴露部分，进一步研究发现，丝胶以无定型颗粒状被覆在丝素的外围保护丝素，并在 形成茧层时起着茧丝间的胶着作用。 盛家镛等【1 3 】从蓖麻蚕丝胶x 射线衍射图中观察到，在晶面间距为4 5 3 a 、4 4 3 1 , 及4 4 7 a 处有明显的衍射环出现。蓖麻蚕丝胶的红外吸收光谱中观察到酰胺i 波数为 1 6 5 5 c m 、1 6 3 0 c m 一，酰胺i i 为1 5 3 5 c m 一、1 5 3 0 c m ，酰胺v 为7 0 0 c m 。从蓖麻蚕丝 胶的d s c 曲线可以观察到，在1 9 0 以上基线开始向吸热反应一方移动，在温度2 1 0 2 4 0 和3 0 0 - 3 3 0 分别出现一个热分解吸收峰，由此推断，蓖麻蚕丝胶主要以无定 型结构存在，同时还存在部分p 折叠结构。这说明蓖麻蚕丝胶热水中溶解度低并不是 聚集态结构与分子构象造成的。 1 1 5 蓖麻蚕茧丝的物理化学性质及应用 蓖麻蚕茧丝束纤维相对强力在3 8 9 i ) 左右，断裂伸长在2 3 左右。在标准湿度 状态下，蓖麻蚕丝的回潮率为1 2 5 。脱胶后的蓖麻蚕丝摩擦系数为0 1 9 5 ，纤维屈 曲少，抱合力较差，平均比重约为1 3 0 。蓖麻蚕丝纤维具有较强的耐酸性；在碱溶液 中，耐碱性与温度负相关【3 】。 蓖麻蚕丝可说是兼备绢、毛，特别是麻的特长的纤维，曾作为羊毛的代用品而引 起重视。将家蚕丝作为经丝，蓖麻蚕丝作纬丝的野蚕丝复合织物，是制作西服优良的 面料。由蓖麻蚕丝制成的服装如果贴身穿着，不仅能提供的服装内小气候状态，而且 有明显的护肤效果，估计是因为皮肤蛋白和蓖麻蚕蛋白质之间有很好的相容性。 蓖麻蚕丝具有柔软性手感和含高度内反射的特殊光泽。染色后颜色的深度和鲜艳 度都比桑蚕丝差，但较均匀。蓖麻蚕丝织物作为服装面料时存在起毛、退色、水渍、 缩水率较大等缺点【3 0 1 。 蓖麻蚕茧丝既可作为绢纺、丝绵等的原料，也可制作高档书画丝纸【3 l 】。另外， 再生蓖麻蚕丝素蛋白的结构与性能研究第一章绪论 以蓖麻蚕丝为原料制取丝素粉、丝肽溶液的原料具有广阔的开发前景有很大的开发潜 力。 1 2 静电纺丝的研究现状 1 2 1 静电纺丝的方法 近年来，静电纺丝的研究与应用受到越来越多科研工作者的青睐，被认为是制备 纳米纤维的有效方法之一。该方法完全不同于常规纺丝方法，它是将几千伏到几万伏 的高压静电场加到溶液或熔体内，使溶液或熔体首先在喷口处形成t a y l o r 锥液滴，当 电场力大到克服表面张力时即形成喷射流，并在电场中进行分裂与牵伸，同时溶剂挥 发，最后到达接收板形成纤维直径从几十纳米到几微米的非织造网。静电纺丝是目前 制备纳米纤维最重要的基本方法，能直接、连续制备聚合物纳米纤维，是国内外的研 究热点。 1 2 2 蚕丝的静电纺丝研究 利用静电纺丝加工的高分子材料已经有上百种，包括合成聚合物，合成共聚物， 聚合物混合物，天然高分子等【3 2 】。而近年来，桑蚕丝以及桑蚕丝与其它材料的混纺在 静电纺丝方面的研究也越来越多【3 3 ，3 4 1 。但是作为我国第三大蚕丝资源的蓖麻蚕丝在这 方面的研究却鲜有报道。k o s u k eo h g o 等人【3 5 】在2 0 0 3 年曾经将家蚕丝和蓖麻蚕丝的 丝素蛋白溶解在六氟丙酮水合物中，采用静电纺丝法，在浓度为1 0 w t ，电场强度 为1 0 k v c m 的纺丝工艺条件下，成功制得排列成无纺布状的纳米纤维。用1 3 c 交叉极 化魔角旋转核磁共振( n m r ) 分光仪测定了丝素蛋白的结构变化和纤维中h f a 的残 留，并用扫描电镜观察纤维直径及其分布。研究发现蓖麻蚕丝素纺丝前为0 【螺旋结构， 纺丝后为s i l k i i 结构( 主要为反平行b 折叠结构) ，直径主要分布在2 0 0 5 0 0 n m 之间。 1 3 蚕丝在生物材料上的应用 生物医用材料( 又称生物材料) ，指用于诊断、治疗、修复或替换机体组织或器 官，亦或增进其功能的某些材料，可以是人造的、天然的，也可以是两者的结合。蚕 丝是人类最早使用的天然蛋白质之一，在我国资源广泛，作为天然高分子材料，具备 较好的力学性能。蚕丝蛋白对机体无毒性、无致敏性和刺激作用，在医疗领域获得了 广泛的应用。近年来，组织工程化器官和细胞支架的研究不断兴起，随着各种生物技 术的发展，使得丝蛋白在软组织相容性材料方面的研究与应用得到广泛关注。 1 3 1 手术缝合线 蚕丝最早是作为手术缝合线应用于医疗方面。过去外科手术的缝合线都使用真丝 6 再生蓖麻蚕丝素蛋白的结构与性能研究第一章绪论 线，近年来开始使用尼龙、涤纶等合成纤维，但真丝缝合线纤度细、拉伸强度大、易 打结且结头不易散开，同时具有良好的生物相容性和体内无抗原性，使得真丝线的使 用仍占较大比例。在伤1 2 2 1 不能有疤痕的眼科、整形外科，真丝缝合线尤其合适 3 6 , 3 7 。 1 3 2 人工肌键和韧带 蚕丝的强度和弹性系数与生物体的肌腱有近似数值，高分子量丝素粉末加热、加 压后易成型，添加4 0 甲基丙烯酸缩水甘油酯( g m a ) 或甲基丙烯酸甲酯( m m a ) 后，其 强度与聚丙烯相仿，因此丝素蛋白可望用于开发人工肌腱与人工韧带。 g r e g o r yh a l t m a n a 3 s 等直接将蚕丝纤维用于人工十字韧带( a n t 谢o rc r u c i a t e l i g a m e n t s ，a c l ) 的制作。方法是将3 0 根单纤维丝组成1 股，每6 股成l 束，再这样3 束成 1 股，6 股成一束，然后直接用作a c l 基质。经扫描电子显微镜( s e m ) 、d n a 定量以及 胶原含量等测试显示，这样形成的支架能支持成人骨髓基质干细胞( b m s c s ) 的生长、 扩散和分化。因此认为蚕丝纤维具有良好的力学性能和生物相容性以及缓慢的降解 性，是制作人工韧带的良好支架材料。 丝蛋白纤维上引入磷酸基团时，能够吸收钙离子，从而可用于制造人工肌腱。因 为它能够吸附在羟基磷灰石( 骨头的主要成分) 上形成很强的结晶，钙的聚集量比未处 理的丝素蛋白有大幅度的提高，并且这些经过修饰的丝纤维有良好的拉伸性能。 t s u t o m uf u m z o n o 3 9 】等采用交替浸泡法使得磷灰石沉淀到丝纤维上，得到这种很有潜 力的骨生物材料。 1 3 3 组织工程支架 组织工程是今年来发展起来的一门学科，其定义是：应用生命科学与工程学的原 理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下的组织结构与功能关系的基 础上，研究、开发并用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态 的生物替代物的一门新兴学科。其核心是建立细胞与生物材料的三维空间复合体，即 具有生命力的活体组织，用以对病损组织进行形态结构和功能的重建并达到永久性替 代。此三维空间结构为细胞提供了获取营养、气体交换、排泄废物和生长代谢的场所， 也是形成新的具有形态和功能的组织器官的物质基础。 随着医学和材料科学的发展，人们希望植入体内的材料只是起到暂时替代的作 用，并随着组织或器官的再生而逐渐被降解吸收，最大的限度减少材料对机体的长期 影响。由于生物降解性材料容易在生物体内分解、代谢，并最终排出体外，因而越来 越受到人们的重视。 7 再生蓖麻蚕丝素蛋白的结构与性能研究 第一章绪论 蚕丝具有良好的生物相容性、力学性能和易降解性，对于力学强度要求高，为降 解时间又较长的支架的构建提供了一个很好的选择。 b r u c ep a n i l a i t i s 【删等在天然蚕丝纤维、蚕丝丝素、以丝胶包覆的丝素、丝胶以及 经过酶处理的丝素晶体( b 折叠区域) 培养作为鼠科巨噬细胞，研究发现鼠科巨噬细 胞在这些材料表面上面培养短期( 1d ) 及长期( 7 d ) 时具有免疫惰性，不过长期培养 还需在体内试验，故蚕丝对巨噬细胞的作用还需深入认识。蚕丝在体内降解时间较长， 推测蚕丝降解产物可能是先通过淋巴细胞或成纤维细胞包裹，然后形成纤维性包裹 囊，使正常组织和材料隔离，包裹囊随时间变薄，囊壁中的淋巴细胞消失，以致不会 引起炎症反应与肿瘤化。 l o r e n zm e i n e l 4 1 】等将基于人体骨髓基质细胞的基因疗法和三维多孔丝素材料结 合起来，研究病毒转染对骨髓基质细胞成骨性能的影响。结果表明在这些支架上会出 现较多的造骨因子，且对细胞钙化组织的能力无影响。 a n n ac h i a r i n i a 【4 2 】等采用浸渍法将桑蚕丝素蛋白( s f ) 涂抹于聚氨酯( p u ) 基 质上，然后通过醇处理使其发生构象转变，变成固相，来固定蛋白涂层，在上面进行 细胞培养。结果表明：在s f 改性后的p u 上，啮齿动物细胞吸附能力和增殖能力都得 到提高。 k u n i y oi n o u y e 4 3 】等用将丝素与胶原涂抹在培养板上，培养动物细胞，5 天后，二 者显示相同的细胞生长特性，说明它们都能支持细胞黏附生长，丝素可以代替胶原作 为细胞培养基。 j i n s o n gc h e n 【删等在丝素膜及丝素纤维表面用r g d 进行化学修饰，同时在体外培 养骨髓源基质细胞和胶原i 型前交叉韧带成纤维细胞，1 4 天后发现细胞密度及胶原的 表达较未修饰的丝素膜及丝素纤维有很大的提高，这些结果显示改性后的丝素膜及丝 素纤维能显著诱导骨的生成。 蓖麻蚕茧丝素的氨基酸组成中极性氨基酸，特别是它的碱性氨基酸含量较高，而 碱性氨基酸对细胞有一定程度的吸附作用。同时静电纺三维结构非织造网具有的高比 表面积、多孔及高孔隙率有利于细胞的粘附、增殖和分化。因此，可以尝试在静电纺 再生蓖麻蚕丝素蛋白非织造网上种植细胞，观察其生物相容性。 1 4 本文的研究目的和内容 由以上内容可知，蓖麻蚕丝具备很多优良的性能，而且蓖麻蚕丝素蛋白的氨基酸 组成虽与家蚕丝相似，但含量却有很大的差别，存在其自身的一些优势。此外，至今 8 再生蓖麻蚕丝素蛋白的结构与性能研究第一章绪论 国内外有关蓖麻蚕丝的研究报道，也主要是探讨天然蓖麻蚕丝素纤维的结构和性质， 尚无对再生蓖麻蚕丝素的研究报道。家蚕丝应用于生物材料是现在各国学者的研究热 门，蓖麻蚕丝在我国资源丰富，可以作为物材料应用方面除家蚕丝之外的另一选择。 本文主要通过对再生蓖麻蚕丝的结构与性质的研究，探讨其静电纺非织造网的结构性 能以及细胞相容性，分析其在生物材料应用方面的可行性。 本文的实验内容是： ( 1 ) 研究了天然蓖麻蚕丝素纤维的结构及其在酸、碱、盐溶剂中的溶解性。 ( 2 ) 再生蓖麻蚕丝素膜的制备和其聚集态结构研究。 ( 3 ) 通过再生蓖麻蚕丝素的静电纺丝，主要研究了经不同纺丝参数纺制的静电纺 再生蓖麻蚕丝素蛋白非织造网的直径分布以及非织造网的结构和力学性能。同时研究 其在不同后处理条件下的结构变化。 ( 4 ) 在静电纺再生蓖麻蚕丝素蛋白非织造网的表面种植小鼠成纤维细胞，采用 m 1 v r ( 二甲基噻唑二苯基四唑嗅盐) 比色法分析探讨了静电纺再生蓖麻蚕丝素蛋白非 织造网的细胞相容性。 9 再生蓖麻蚕丝素蛋白的结构与性能研究第二章再生蓖麻蚕丝素蛋白膜的制备与结构 第二章再生蓖麻蚕丝素蛋白膜的制备与结构 2 1 蓖麻蚕丝素纤维的制备与结构 2 1 1 实验材料 蓖麻蚕茧，无水碳酸钠( 分析纯，上海试剂总厂) 。 2 1 2 实验仪器 t 一1 0 0 0 型电子天平( 常熟双杰测试仪器厂) ，电炉，不锈钢锅，d h g - - 9 0 7 6 a 型电热恒温鼓风干燥箱，y 1 7 z 型纤维切片器，美国n i c o l e t 5 7 0 0 型红外光谱仪，荷 兰p a n a l y t i c a lc o m p a n y ，x p e r tp r om p d 型x 一射线衍射仪，日本日立公司s - 5 7 0 型扫描电子显微镜，日本d i a m o n dt g d t a 热分析仪。 2 1 3 蓖麻蚕茧丝纤维脱胶 将剥下的蓖麻蚕茧丝在4 0 。c 的温水中浸泡3 0 m i n ，然后将茧丝置于浓度为0 5 ( w v ) 的碳酸钠溶液中，煮沸处理4 0 m i n ，煮后用4 0 左右的去离子水洗涤。重复 此步骤三次。将脱胶后的丝素纤维洗净，放入6 0 烘箱中烘干，拉松备用。 2 1 4 含胶率的测定 取一定量的蓖麻蚕茧丝在1 0 5 烘箱中烘干至恒重，将其以上述方法脱胶后，同 样在1 0 5 烘箱中烘干至恒重。根据公式( 1 ) 计算蓖麻蚕茧丝的含胶率： 含胶率c ) = 堕写蒜署产o 。 2 1 5 蓖麻蚕茧丝的结构测试 2 1 5 1 形态结构测试 将蓖麻蚕茧丝脱胶前后的纤维在纤维切片器上挤压紧实，涂上火棉胶，切取蓖麻 蚕茧丝素纤维横截面薄片，同时取茧丝脱胶前后的单纤维，贴于干净的铜片上，喷金 处理后，利用扫描电子显微镜，分别放大2 0 0 0 倍、5 0 0 0 倍，观察纤维的表面形态。 2 1 5 2 聚集态结构测试 将蓖麻蚕茧丝素纤维剪碎制成粉末，k b ，压片制样，用傅立叶变换红外光谱仪进 行测试，得到蓖麻蚕茧丝素纤维的红外吸收光谱。 将蓖麻蚕茧丝素纤维剪碎制成粉末，用全自动x 射线衍射仪，c u k c t 射线，管电 压4 0 k v ，管电流4 0 m a ，扫描速度2 0 m i n ，记录得到丝素纤维衍射角2 0 为5 0 - - 4 5 0 l o 冉生蓖麻蚕丝素蛋白的结构与性能研究第二章再生蓖麻蚕丝素蛋白膜的制备与结构 的衍射强度曲线。 2 1 5 3 热稳定性能测试 将蓖麻蚕茧丝素纤维剪碎制成粉木，用t g d t a 热分析仪对样品进行测试，加热 温度4 0 一- - 4 0 0 。c ，升温速度为1 0 。c r a i n ，记录得到丝素纤维的t g 曲线。 2 1 6 结果与讨论 2 1 6 1 蓖麻蚕茧丝的含胶率 为了减少实验误差，本文采用重复实验计算本实验中蓖麻蚕茧丝的含胶率。由表 2 可知，蓖麻蚕茧丝的平均含胶率为1 0 5 。 表2 重复实验得到的蓖麻蚕茧丝的含胶率 2 1 6 2 形态结构 如图1 ，天然蓖麻蚕茧丝的直径约为1 2 微米，表面粘附了一些微小颗粒，但经 过脱胶后，见图2 ，丝素纤维直径约为8 微米，表面有凹槽，且出现较多的毛羽。观 察丝素纤维的横截面图3 、4 ，可知，单纤维由许多平行于纤维轴的原纤组成，截面 多为扁平状。天然丝表面粘附的一些微小颗粒在脱胶后消失。 图1 蓖麻蚕茧天然丝纵截面图2 蓖麻蚕茧丝素纤维纵截面 再生蓖麻蚕丝素蛋白的结构与性能研究 第二章再生蓖麻蚕丝索蛋白膜的制备与结构 图3 蓖麻蚕茧天然丝的横截面图4 蓖麻蚕茧丝素丝横截面 2 1 6 3 红外吸收光谱 野蚕丝素蛋白的红外光谱带在1 6 5 0 1 6 5 5 c m - 1 ( 酰胺i ) 、1 5 4 5c m 叫( 酰胺i i ) 、 1 2 7 0 - 1 2 7 4c m 叫( 酰胺i i i ) 、8 9 0 - - - 8 9 6e l i l 叫( 酰胺i v ) 、6 1 5 6 2 5c m 叫( 酰胺v ) 为 q 螺旋结构，在1 6 3 0c m 叫( 酰胺i ) 、1 5 2 0 、, 1 5 3 0c l t i _ 1 ( 酰胺i i ) 、1 2 3 5 1 2 4 0c m 一 1 ( 酰胺1 1 1 ) 、9 6 5c m - 1 ( 酰胺) 、7 0 0c m _ 1 ( 酰胺v ) 为b 折叠结构，在6 5 5 6 6 0c m _ 1 ( 酰胺v ) 为无规卷曲结构【4 5 】。 x 锵 划 蝌 波数c m - 1 图5 蓖麻蚕茧丝素的红外吸收光谱图 1 2 再生蓖麻蚕丝素蛋白的结构与性能研究第二章再生蓖麻蚕丝素蛋白膜的制备与结构 由图5 可以看出：蓖麻蚕茧丝素酰胺i 的特征吸收峰为1 6 4 7 2 c m ，显示为a 螺旋结构，酰胺i i 的特征吸收峰1 5 1 6 e m 一、酰胺i i i 的特征吸收峰1 2 2 2 8 c m _ 1 以及酰 胺的特征吸收峰9 6 4 8 c m 一，均显示为p 折叠结构，而酰胺v 的两个特征吸收峰中， 7 0 0 e m 1 显示为d 一折叠结构，6 2 1 c m 。1 则显示为a 螺旋结构。说明蓖麻蚕茧丝素中a 螺旋结构与p 折叠结构并存。 2 1 6 4x 射线衍射曲线 利用x 射线衍射研究野蚕丝素蛋白分子结晶结构时发现【矧，其s i l ki ( 介于b 折叠与a 螺旋之间) 的衍射峰主要出现在11 9 5 0 ( 晶胞间距，d = 7 4 0a ) 、2 4 0 2 0 ( 3 7a ) 附近，s i l ki i ( 主要是b 折叠) 4 7 】的衍射峰主要出现在1 6 7 1 。( 5 3 0a ) 、2 0 3 4 。( 4 3 6 a ) 、 2 4 4 9 0 ( 3 6 3a ) 、3 0 9 0 。( 2 8 9a ) 、3 4 5 9 。( 2 5 9a ) 、4 0 9 7 0 ( 2 2 0a ) 、4 4