（纺织材料与纺织品设计专业论文）再生柞蚕丝丝素静电纺及结构研究.pdf

再生柞蚕丝丝素静电纺及结构研究 中文摘要 再生柞蚕丝丝素静电纺及结构研究 中文摘要 本文研究了再生柞蚕丝丝素蛋白的静电纺参数对纤维平均直径和结构的影 响，静电纺纤维中溶剂六氟异丙醇( h f i p ) 的残留量及乙醇后处理对非织造网 结构的影响和细胞对柞蚕丝丝素蛋白静电纺非织造网的相容性。 预实验寻找可以进行静电纺的影响因素中溶液质量分数、电压及接收距离的 范围。正交试验分析这三个可控制因素对纤维平均直径的影响程度，依次为质量 分数、电压、接收距离。用x 射线衍射法和热分析法分析不同参数组合对非织 造网结构的影响，发现静电纺丝有使结构从a 螺旋或无规卷曲向p 折叠转变的 趋势，但纺丝参数在可纺范围内变化对构象的转变影响较小，仅依靠改变参数促 使非织造网结构向更稳定的p 折叠状态的作用很小，需要通过其它的后处理手段 才能实现。用h f i p 作溶剂进行静电纺丝后，纤维中会残留溶剂，用色谱一质谱 法测定h f i p 在未处理和用乙醇处理后纤维中的残留，发现未处理纤维中溶剂残 留较大，用纯乙醇处理后再用8 5 乙醇处理可以有效降低残留量。但乙醇处理会 引起非织造网收缩、溶解，用扫描电镜观察乙醇处理后纤维表面形态的变化，用 红外光谱和x 射线衍射法比较处理后二级构象的变化。在非织造网上培养小鼠 成纤维细胞，用显微镜观察细胞在材料上的粘附、生长和增殖情况，采用四唑盐 ( m t t ) 比色法细胞增殖试验测定细胞在材料上的增殖情况，研究细胞与非织造 网的相容性，发现细胞可以在纤维上黏附、生长，但纤维在培养液中出现溶解， 影响了细胞的生长。 关键词：再生柞蚕丝丝素；静电纺丝；乙醇处理；细胞相容性 r e s e a r c ho ne l e c t r o s p i n n i n ga n ds t r u t u r eo f r e g e n e r a t e dt u s s a hs i l kf i b r i o n a b s t r a c t r e s e a r c ho n e l e c t r o s p i n n i n g a n ds t r u c t u r eo f r e g e n e r a t e dt u s s a hs i l kf i b r o i n a b s t r a c t t h i sp a p e rh a v es t u d i e dt h ee f f e c to ft h ee l e c t r o s p i n n i n gp a r a m e t e r so fr e g e n e r a t e d t u s s a hs i l kf i b r o i nt of i b e ra v e r a g ed i a m e t e ra n ds t r u c t u r e ，t h er e s i d u a lo fs o l v e n t ( h f i p , 2 - p r o p a n o l ，1 ，1 ，3 ，3 ，3 一h e x a l u o r o - m e t h a n 0 1 ) i nf i b e r sa n dt h ei n f l u e n c eo ne l e c t r o s p i n n i n g n o n w o v e nn e ta f t e rt r e a t m e n to fe t h a n o l ，a l s os t u d i e dt h e e o m p a t i b l i t yo fc e l la n d r e g e n e r a t e dt u s s a hs i l kf i b r o i ne l e c t r o s p i n n i n gn o n - w o v e nn e t b yp r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t , t h es c o p eo fs o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n , v o l t a g ea n ds p i n n i n g d i s t a n c ew h i c ha r e i n f l u e n c i n g f a c t o r so fe l e c t r o s p i n n i n gh a v e b e e no b t a i n e d t h e i n f l u e n c i n gd e g r e eo ft h i st h r e ec o n t r o l l i n ge l e l m e n t sh a v eb e e na n a l y s i s e db yo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t b yx r a yd i f f r a c t i o nm e t h o da n dt h e r m a la n a l y s i ss y t e m ，t h ec h a n g eo f e l e c t r o s p i n n i n gn o n w o v e nn e t s t r u c t u r eb yd i f f e r e n tp a r a m e t e rh a v eb e e nr e s e a r c h e d t of i n dt h et e n d e n c yo ft r a n s i t i o nf r o ma - h e l i xo rr a n d o mc o i lt o 1 3 - s h e e t ，b u tt h e i m p a c tt ot r a n s i t i o no fc o n f o r m a t i o nw a sl i t t l eb ys p i n n i n gp a r a m e t e r si ns p i r m a b i l i t ys c o p e , s ot h er o l et om a k en o n - w o v e nn e ts t r u c t u r em o r es t a b l ei ss m a l lo n l yb yt h i sw a y ，a n dt h i s a i mc a nc o m et r u eb yo t h e rp o s tp r o c e s s i o n g a f t e re l e c t r o s p i n n i n g i n gw i t hh f i pa s s o l v e n t ，h f i pc a nr e m a i ni nf i b e r s t h er e s i d u a li nu n d i s p o s e df i b e r sa n dd i s p o s e df i e b e r s b ya l c o h o lw e r ee l v a l u a t e db yg c l m s ，a n dt h er e s u l ti st h a tr e s i d u a li nu n d i s p o s e df i b e r si s al i t t l el a r g ea n dt h er e s i d u a li nt h ed i s p o s e df i b e r sw i t hp u r ea l c o h o lf i r s t l yt h e n8 5 a l c o h o lt r e a t m e n ts t e p p e dd o w nt oz e r o b u tt r e a t m e n tw i t he t h a n o lc a l lc a u s es h r i n k a g e a n dd i s s o l u t i o no fn e t t h ec h a n g eo ff i b e rm o r p h o l o g yw a so b s e r v e db ys e ma n dt h e c h a n g eo fs e c o n do r d e rb yi n f r a r e ds p e c t r u ma n dx - r a yd i f f r a c t i o n l c e l l sw e r ec u l t i v a t e d o nn o n w o v e nn e t ，a n dt h ea d h e s i o n ，g r o w t ha n dd i f f e r e n t i a t i o nw e r eo b s e r v e db y m i c r o s c o p t h ep r o l i f e r a t i o no fc e l l so nn e tw e r ed e t e r m i n e db ym t tt os t u d yt h e c o m p a t i b i l i t yo fc e l la n dn e t t h er e s u l ts h o w e dc e l l sc o u l da d h e r e ，g r o wo nn e t ，b u t b e c a u s eo ft h ed i s s o l u t o no ff i b e r si nc u l t u r es o l u t i o n ，t h eg r o w t ho fc e l l sh a v eb e e n i i r e s e a r c h o n e l e c t r o s p i n n i n g a n d s t r u c t u r e o f r e g e n e r a t ，e d t u s s a h s i l k f i b r o i n a b s t r a c t i m p a c e t e d k e y w o r d s ：r e g e n e t r a t e dt u s s a hs i l kf i b r i o n ；e l e c t r o s p i n n i n g ；e t h a n o lt r e a t m e n t ；c e l l c o m p a t i b l i t y 1 1 1 w r i t t e n b y ：l i n al i u s u p e r v i s e db y ：p r o f b a o q iz u o 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：妄ji 摘蝴p 日期：卫噼媚四日 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：刘丽娜 导师签 期呷咖胁l 再生柞蚕丝丝素静电纺及结构研究第一章前言 第一章前言 柞蚕，又称为中国野蚕，是一种起源于周朝的野生蚕，历史悠久，是我国特色资 源之一。柞蚕丝织物的吸湿透气性好，悬垂性佳，抗起球性较好，光泽柔和，服用 性能优良。自古以来，柞蚕丝丝绸作为一种高档的服装材料，备受消费者青睐。随着 科学技术的进步和绿色浪潮的到来，蚕丝丝素在非纺织领域的研究，如化妆品、食品 添加剂等日常用品方面，以及在生物医学和生物技术领域的研究也受到重视。以桑蚕 丝素蛋白制备组织工程支架材料、具有过滤病毒防护效果的过滤材料、制备药物控释 材料等方面的应用和研究成为近年来科学研究的热点之一。柞蚕丝与桑蚕丝氨基酸种 类组成相近，但其序列、结构和性能相差较大，在生物材料应用方面具有独特的优势。 静电纺是纺制纳米级纤维的较为简单有效的一种工艺，纤维尺寸与人体自身的细 胞外基质尺寸接近。生物医用材料是和生物系统相作用的，用以诊断、治疗修复或替 换机体中的组织、器官或增进其功能的材料。通过对材料加工过程的调控，可以实现 电纺丝材料在结构、形貌、组分和功能上满足生物医用材料的要求。 1 1 柞蚕丝的组成与结构 柞蚕丝与桑蚕丝一样，也是一种丝胶包覆在丝素外的天然蛋白质纤维，在丝胶中 含有蜡质、色素、无机物等少量杂质。柞蚕丝丝胶含量比桑蚕丝少，仅1 2 1 3 ，另 外还含有4 左右的蜡质、色素和无机物等杂质。 柞蚕丝截面呈扁平的椭圆形态，在纤维表面存在纵向线状条纹，同时柞蚕丝纤维表 面具有较为明显的不规则形态特征原纤维，直径大小均在0 1 0 7 - 0 1 1 0 研之间。 柞蚕丝氨基酸组成以丙氨酸、甘氨酸和丝氨酸为主。丝素和丝胶中氨基酸含量的 比例与桑蚕丝略有不同。丝素属于高分子重链结构蛋白，其氨基酸组成见表1 1 ，丰 富的丙氨酸有利于a 螺旋结构的形成。 表1 1 柞蚕丝丝素氨基酸组成【1 】( ) 氨基酸含量氨基酸 含量 丙氨酸4 4 1 1缬氨酸1 5 2 乙氨酸2 5 8 5 甲硫氨酸o 5 0 丝氨酸1 2 8 9苏氨酸0 4 7 酪氨酸9 0 l 苯丙氨酸 0 4 7 再生柞蚕丝丝素静电纺及结构研究 第一章前言 天门冬氨酸 8 2 2 脯氨酸0 4 7 赖氨酸5 1 3亮氨酸0 4 0 谷氨酸2 1 2 异亮氨酸 o 3 8 色氨酸 1 7 5 胱氨酸 0 2 3 组氨酸 1 5 6 精氨酸 o 2 l + 一1 2 k b 3 ab cd a ：( 丙氨酸) nn = 5 - 1 4 天门 b ：丝乙丙乙乙丝乙乙乙酪乙色乙乙乙酪乙一丝一甘丝 酪 c ：丝乙乙丙乙乙异亮乙乙乙苯丙乙精乙天门乙乙酪乙丝乙丝 丝 天门 d ：丝精精丙乙组精丙丙乙丝 谷 图1 1 柞蚕丝丝素的c n d a 序列的氨基酸序列2 】 柞蚕丝不仅含有大量碱性氨基酸( 精氨酸、组氨酸) ，同时还含有一精氨酸一乙 氨酸一天门冬氨酸一( r g d ) 三肽序列重复链段。精氨酸一乙氨酸一天门冬氨酸三肽 序列被认为是细胞识别黏附的特征氨基酸序列。所以，含有此重复链段的蛋白质都可 表现出高的细胞粘附性。桑蚕丝没有此链段，细胞黏附在接近羟基末端的非重复区的 精氨酸上。柞蚕丝的纤维原细胞( l 9 2 9 ) 比桑蚕丝丝素细胞粘附强，生长情况好【3 1 。 用延流法可将柞蚕绢丝腺内的液状丝素制备成膜材料。这样的天然丝素蛋白膜内 丝素蛋白的分子构象为q 螺旋和无规线团结构共存 4 1 。天然柞蚕丝经碳酸钠脱胶后的 丝素纤维构象以p 折叠和0 【螺旋为主，几乎不含无规卷曲。脱胶后的丝用硫氰酸锂溶 解，透析干燥成膜，再生柞蚕丝素膜内丝索蛋白的分子构象为q 螺旋和无规线团结构 共存。室内环境存放3 0 d 后，分子构象只会发生无规线团向q 螺旋结构的少量转化， 而不会向d 折叠结构转化【5 1 。 再生柞蚕丝丝素静电纺及结构研究第一章前言 1 2 静电纺丝简介 静电纺丝又称“电纺 ，是一种使带电荷的聚合物溶液或熔体在静电场中喷射来 制备聚合物超细纤维的加工方法f 6 】，其基本概念在6 0 年前就已提出，但直到1 9 9 4 年 左右才重新受到较大关注。1 9 世纪9 0 年代至今，静电纺工艺的注意力大部分放在其 纳米工艺上，将各种高聚物的超细纤维直径降至亚微米或纳米等级。 m 暖a lc o l l e t ，o ! 图1 2 静电纺丝的基本装置 静电纺的装置主要分成三部分：高压供给装置、溶液储存部分和金属收集部分。 r e n e k e r t 7 】等人分析静电纺丝的基本原理是：电纺丝过程中，存贮装置中装有聚合物溶 液或熔融液。外加电场作用时，受表面张力作用而保持在喷嘴处的高分子液滴，受到 一个与表面张力方向相反的电场力。当电场逐渐增强时，喷嘴处的液滴由球状被拉长 为锥状，形成泰勒锥。而当电场强度增加至一个临界值时，电场力就会克服液体的表 面张力，溶液从泰勒锥中喷出。在高速震荡中，喷射流被迅速拉细，溶剂也迅速挥发， 射流分散成纤维，最终在收集装置上形成非织造纤维网。 静电纺丝可以直接加工纳米或微米级尺寸的纤维。当纤维直径从微米降至亚微米 或纳米时，性质也会出现明显特征，如：较高的比表面积、优良的柔软度和优异的机 械性能( 如：韧性和拉伸强度) 。 静电纺的参数主要有三类：( 1 ) 溶液的性质：粘度、弹性，导电性和表面张力； ( 2 ) 可控制参数：喷丝口的静电压力、接收距离和溶液浓度；( 3 ) 周围环境参数： 静电纺室内的温度、湿度和空气流速等。这些参数都不同程度影响纺丝的顺利进行或 影响纺丝纤维的形态尺寸。 再生柞蚕丝丝素静电纺及结构研究第一章前言 已有很多种高聚物应用于静电纺纺制直径在3 n m 至1 l l , t 米的纤维。大部分高聚物应 用的是常温下溶剂溶解形成的溶液，一些常温会放出刺激性气味的聚合物要在通风系 统中纺丝。小部分在熔融状态下纺丝的聚合物纺丝温度要高于聚合物熔点。已用于静 电纺丝的合成聚合物、天然高聚物及二者的混纺的溶剂及纤维直径如表1 2 所列。 表1 2 合成聚合物的静电纺丝 聚合物溶剂 纤维直径( n m ) 参考文献 聚乙二醇水1 0 0 3 0 0 【8 】 尼龙 甲酸【9 】 聚酰亚胺苯酚 9 】 聚芳酰胺硫酸【9 】 聚乳酸( p l l a )二氯甲烷( d c m ) 1 0 】 二氯甲烷n ，n 二甲基 5 0 5 0 02 【11 】 酰胺( d c m d m f8 0 0 3 0 0 05 7 0 ：3 0 ) 羟基乙酸、乙醇酸氯仿 【1 0 】 共聚物 乙烯、乙酸乙烯酯【1 0 共聚物 聚氨酯弹性体 二甲基乙酰胺 1 0 0 1 2 】 聚苯胺硫酸 【1 3 】 聚硅氧烷 1 4 】 聚己内酰胺四氢呋喃n ，n 二甲基平均7 0 0【15 】 酰胺( 1 ：1 ) 聚l 乳酸和聚e 3 6 0 n m 1 6 苄氧羰基一l 赖氨 酸 聚l 乳酸和己内酯丙酮【1 7 】 共聚物二氯甲烷 5 0 0 n m 【1 8 】 p r l l a - c l ) ( 7 5 ：2 5 ) 聚丙烯腈二甲基乙酰胺 1 0 0 , - 一1 0 0 0 【1 9 】 p l g a ( 左右旋乳四氢呋喃和二甲基甲酸5 0 0 - 8 0 0 n m【2 0 】 酸和乙醇酸共聚胺 物) 4 再生柞蚕丝丝素静电纺及结构研究第一章前言 表1 3 天然高聚物及与合成高聚物混纺的静电纺丝 聚合物溶剂 直径( n m ) 文献 i 型胶原( 小牛皮) h f i p 1 0 0 a ：4 0 2 1 】 h f i p 1 0 0 - - - 1 2 0 0 ( 8 ) 【2 2 1 i 型胶原( 人胎盘) h f i p 1 0 0 7 3 0 2 1 】 h f p 2 0 0 5 0 0 2 2 】 变性胶原凝胶 h f p 2 0 0 5 0 0 【2 2 】 q 弹性蛋白 h f p 微米级【2 2 】 重组人体弹力蛋白 h f p 微米级 【2 2 】 i i 型胶原 h f i p 11 0 - 1 8 0 0 【2 3 】 i i i 型胶原 h f i p 2 5 0 士1 5 0 【2 1 i 型胶原i i i 型胶原 h f i p3 9 0 士2 9 0 【2 1 i 型胶原聚醚胺酯 h f i p 1 0 0 9 0 0 【2 4 】 脲 i 型胶原聚氧乙烯盐酸1 0 0 - 1 5 0 【2 5 】 丝素( 桑蚕) 甲酸 3 0 - - 1 2 0 【2 6 】 丝素( 桑蚕) h f i p 6 5 1 0 0 【2 7 】 丝素( 蓖麻蚕)六虱内酮 2 0 0 6 0 0 【2 8 】 丝素聚氧乙烯去离子水 7 0 0 士5 0 【2 9 】 c a 丙酮2 2 5 0 3 51 0 【3 0 c a d m a c + 丙酮 1 0 0 1 0 0 0 3 1 】 c 聚乙醇( d m a c + 丙酮) 水1 0 0 - 7 0 0 3 2 】 c a 硝酸银丙酮+ 水 6 1 0 1 9 1 0 3 3 】 纤维素 电压 接收距离。 2 2 过程参数优化设计 2 2 1 响应面分析法( r s m 法) 试验设计与优化方法都未能给出直观的图形，因而也不能凭直觉观察其最优化 点，虽然能找出最优值，但难以直观地判别优化区域。响应面分析法也是一种最优化 方法，它是将体系的响应作为一个或多个因素的函数，运用图形技术将这种函数关系 显示出来，以供我们凭借直觉的观察来选择试验设计中的最优化条件。响应分析法在 很多研究中被成功的用于材料和过程优选法的研究，如：热塑性弹性体【6 7 1 、类金刚石 碳膜【6 8 】和聚乙烯乙醇水凝胶1 6 9 1 等。这种方法的优势在于可以考虑几个因素的并用效 果，并且用统计方法建立实验数据的经验模型。使用模型是一种简单、系统表示影响 因素的方法，还可以预测不同参数组合的实验结果。因此响应面分析法( r s m ) 法能 获得过程参数的概况和它们相互之间的影响，还能得到实验数据和预测值的响应面等 高线。这些等高线以特征值的形式指出获得最佳条件的方位。要构造这样的响应面并 进行分析以确定最优条件或寻找最优区域，首先必须通过大量的量测试验数据建立一 个合适的数学模型( 建模) ，然后再用此数学模型作图。建模最常用和最有效的方法 之一就是多元线性回归方法。过程的步骤如下： 1 、确认变量l 、龟、白为n 响应的因子。 2 、用下列公式计算相应的编码变量( x l ；x 2 ；x 3 ) x i = 呜- ( “i + 白i ) 2 1 【( “i + 白i ) 2 】公式( 1 ) “i 和b i 分别为变量白的最高和最低水平 3 、通过多元回归分析确定理论的响应( y ) 。在r s m 法中广泛应用二次模型。二次 模型对响应”的一般公式为： kkt 1 1 = 1 3 0 + p 洋i + 3 i i x i2 + 1 3 i j x i x j _ l1 = 1 f = 2 k 代表因子的个数，x i 为编码变量，1 3 为系数。 4 、计算系数尽可能的符合实验数据。 公式( 2 ) 再生柞蚕丝丝素静电纺及结构研究 第二章纺丝参数对纤维形态和结构的影响 从响应表面或等高线上直观体现响应和变量之间的关系，可以看出参数的相互影 响以找到合适的参数组合，预测其他参数时的实验结果。在本研究中电压和浓度是非 常显著的影响变量，距离为显著影响变量，计算在三个距离下的纤维平均直径。所以 取k = 2 ，因此理论模型从公式( 2 ) 变为： y = j 3 0 + j 3 1 x i + j 3 2 x 2 + p il x l z + 3 2 2 x 2 2 + p 1 2 x 1 x 2 + s公式( 3 ) y 为纤维直径；x l 编码电压变量；x 2 为编码浓度变量：为随机误差项 静电纺丝优选结构参数的响应面分析过程如下图： l 选择响应( 纤维直径) ( 电压、浓度) 和设计编码( x ，x 2 ) i 响应面的等高线 寻找最佳工艺条件 图2 5 静电纺丝响应面分析过程图 2 2 2 实验设计 根据预实验，选择可纺参数的组合( 表2 4 ) ，进行纺丝。 表2 4 实验设计( 变量和水平) 1 8 一一 塑鳜镪蕊警攀娥 接收距离1 0 c m 垮满嗡慧荔，纭缀鲞熏霆骥 质量分数 7 7 7 电压 8 k v1 2 k v1 6 k v 平均直径2 8 5 n m 2 6 7 4 n m5 1 9 3 n m 质量分数 1 0 1 0 1 0 电压 8 k v1 2 k v 1 6 k v 平均直径 3 1 8 4 r i m 8 3 5 9 n m6 8 7 7 r i m 接收距离1 3 e r a 曼露毫墨 燃诵 再生柞蚕丝丝素静电纺及结构研究第二章纺丝参数对纤维形态和结构的影响 3 1 8 4 3 4 4 9 3 5 0 9 3 1 7 2 2 6 4 4 酌& 9- 6 8 7 甲 - 2 6 7 4 曾，1 2 5 )5 1 9 3 - - ( 一1 3 ，1 3 ) 2 5 4 5 -3 0 4 昌 3 ，1 3 ) il! y 3 ，一l 3 ) 8 1 2 1 6 k v b ( - 1 3 ，1 3 ) 6 1 1 2 1 1 2 1 0 ( 1 3 ，1 3 ) -弱3 - 盂钇6 & ( o ，1 2 5 ) 2 2 2 螂五 - 1 3 ) 81 21 6 h c 图2 7 接收距离为7 c ma 、1 0 c mb 、1 3 c mc 时的实验设计。坐标处的值为纤维的 平均直径( 衄) 和括号内为编码值( 电压，质量分数) 通过对公式( 3 ) 的回归分析，计算系数d o 、p i 、艮、p l l 、p 2 2 、p 1 2 。纤维直径自然 对数的二次公式为： 接收距离7 c m 时： rlllliii性llill1i九 h 7 5 一 一 _illlilll。liii。ll九 h 7 5 再生柞蚕丝丝素静电纺及结构研究第二章纺丝参数对纤维形态和结构的影响 y = 5 2 9 3 + 0 9 6 1 5 x l + o 5 7 7 6 x 2 “9 8 8 x 1 2 + 1 3 6 3 6 x 2 2 + 1 4 1 6 9 x l x 2 接收距离1 0 c m 时 y = 5 7 8 6 + 0 6 11 7 x l + o 9 7 6 0 x 2 + 0 0 3 3 4 x 1 2 + 2 0 4 7 x 2 2 + 1 9 8 1 x l x 2 接收距离1 3 c m 时 y 5 。8 0 8 + 0 9 2 4 x l + o 。9 5 3 x 2 + 0 3 3 5 8 x 1 2 + 2 5 4 0 x 2 2 + 1 5 4 7 x l x 2 表2 5 显著性概率( p 值) 和响应表面公式的回归的相关系数 公式( 4 ) 公式( 5 ) 公式( 6 ) 上表的p 值和r 2 为m a l l 。a b 中对函数进行拟合时表示拟合程度的的两个参数。p 值 是计量结果对应的精确的显著性水平。r 2 为复相关系数，即r 2 越接近于1 的方程为最 优方程。三个距离的p 值均小于有效显著性0 0 5 ，适于模型。在7 c m 和1 3 c m 的r 2 为9 9 1 和9 3 3 ，7 e m 、1 3 c m 的模型对新数据的预测准确度为9 7 4 和9 4 4 。1 0 c m 的较低， 仅为7 6 4 。 分别对公式( 4 ) 、( 5 ) 、( 6 ) 求对x l 和x 2 的偏导数，并令偏导数等于o ，可以 求得在三个接收距离时的纤维直径极小值。但求得结果均不在可纺范围之内。根据响 应面图可直观选择纺一定尺寸纳米纤维的参数组合。即：对平均直径取自然对数后， 从响应面图中选择合适的参数编码组合。下图为在7 c m 、1 0 c m 、1 3 e m 时的响应面图。 面上颜色渐变的圆环为直径范围的变化，无圆环部分不能形成纳米尺寸的纤维。 在距离7 c m 时，浓度在5 1 0 之间，电压在8 k v 1 2 k v 之间时，纤维平均直径在 5 0 0 h m 以下，其余参数组合，纤维平均直径在5 0 0 1 0 0 0 n m 之间。距离l o o m 和1 3 c m 时， 浓度范围在5 1 0 ，电压范围l l , 7 c m d , ，在8 k v 1 0 k v 之间平均直径为5 0 0 n m 以下，其 余在5 0 0 1 0 0 0 n m 之间或超过1 0 0 0 n m 。 再生柞蚕丝丝素静电纺及结构研究 第二章纺丝参数对纤维形态和结构的影响 浓度编码 n 4 田4 电压编码 田 匠 7 0 4 0 4 一熬 5 6 5 5 4 6 5 0 籁餐壤皿g堪删 5 6 b 糕靛撼皿g姑删 l = i 5 4 5 0 再生柞蚕丝丝素静电纺及结构研究第二章纺丝参数对纤维形态和结构的影响 7 固 5 。5 0 。4 浓度糖码 。o 4 l c i - 4 电压编码 c 图2 8 响应面图a 7 c mb1 0 c mc1 3 c m 2 3 纺丝参数对非织造网微细结构的影响 2 3 1 实验材料与实验方法 同2 1 1 1 和2 1 1 2 中( 1 ) ( 3 ) 静电纺预实验中 ( 4 ) 静电纺丝 1 、固定电压和接收距离分别为1 2 k v 和1 0 c m ，纺质量分数为5 、8 、1 0 的非织 造网。 2 、固定质量分数和接收距离分别为8 和1 0 c m ，纺电压分别为5 k 、1 2 k v 、1 6 k v 的非织造网。 3 、固定质量分数和电压分别为8 和1 2 k v ，纺接收距离分别为7 c m 、1 0 c m 、1 3 c m 的非织造网。 2 3 2 结构测试 日本理学d m a x 3 c 型x 射线衍射仪，测试条件：管电压4 0 k v ，管电流3 0 m a ，扫描 再生柞蚕丝丝素静电纺及结构研究第二章纺丝参数对纤维形态和结构的影响 速度为2 0 m i n 。日本d i a m o n dt g d t a 热分析仪，扫描速度为2 0 0 。c r a i n ，升温至6 0 0 ， 在氮气条件下进行热重分析。 2 3 3 实验结果与分析 2 3 3 1x 射线衍射 清水正德例首先发现丝素有两种结晶形态，分别为0 【型和p 型。随后心a t h y 川证明 了两种结晶形态的存在，并指出丝素0 【型并非蛋白质中的a 螺旋结构。为避免把丝素q 型与一般0 【螺旋相混淆，分别将丝素的q 型和1 3 型称为s i l ki 、s i l k l i 。s i l ki 的立体构 象呈曲柄型，是介于1 3 折叠与q 螺旋之间的一种中间形态。s i l k l i 是反平行p 折叠层 结构，属单斜晶系，由肽链构成折叠层，再由折叠层形成整个丝素i i 晶体。r e g i n a l v 等人倒发现了新的丝素结晶形态，它存在于丝素溶液一空气界面上，称之为s i l ki i i ，其晶 体结构与聚甘氨酸i i 相似，属六方晶系，肽链的立体构象为p 折叠螺旋。目前研究发现丝 素至少有四种微细结构：无规构象、s i l k i ( 0 【型) 、s i l k l i ( p 型) 和s i l ki i i 【7 3 】【7 4 】。在结晶 结构的丝素尤其是s i l k i i 中，肽链链段的排列较整齐，相邻链段之间的氢键和分子间引 力使它们结合得相当紧密，抵抗外力拉伸的能力强，在水中难以溶解，对酸、碱、盐、酶 及热的抵抗力较强。而无定形丝素中链段的排列不整齐，链段之间的结合力较弱，抵抗 外力拉伸的能力弱，吸湿性强，对酸、碱、盐、酶和热的抵抗力较弱【7 引。 皇 越 皤 接 拄 衍射角2 0 ( o ) 图2 8 再生柞蚕丝丝素静电纺不同质量分数非织造网的x 射线衍射图。电压 1 2 k v ，接收距离1 0 c m ，质量分数a5 b8 c1 0 再生柞蚕丝丝素静电纺及结构研究第二章纺丝参数对纤维形态和结构的影响 表2 6 再生柞蚕丝丝素静电纺不同质量分数非织造网的x 射线衍射角 质量分数衍射角i ( 2 0 )衍射角i i ( 2 0 ) 5 1 1 8 02 2 8 8 1 2 4 02 2 7 1 0 1 2 5 02 2 2 丘 皇 剐 嘿 扫 日 嚣 图2 9 再生柞蚕丝丝素静电纺不同距离的非织网的x 射线衍射图。质量分数8 ，电压 1 2 k v ，接收距离a7 c mb1 0 c mc1 3 c m 表2 7 再生柞蚕丝丝素静电纺不同接收距离非织造网的x 射线衍射角 距离衍射角i ( 2 0 )衍射角i i ( 2 0 ) 7 c m1 2 2 02 3 0 1 0 c m 1 2 5 02 2 7 1 3 c m1 2 6 02 2 6 再生柞蚕丝丝素静电纺及结构研究第二章纺丝参数对纤维形态和结构的影响 o 芝 捌 酸 扫 皿r - 卜 ；牟 图2 1 0 再生柞蚕丝丝素不同电压的非织网的x 射线衍射图。质量分数8 接收距离 1 0 c m ，电压a 5 k v b1 2 k v c1 6 k v 表2 8 再生柞蚕丝丝素静电纺不同电压非织造网的x 射线衍射角。 电压衍射角i ( 2 0 )衍射角i i ( 2 0 ) 5 k v1 2 22 2 9 1 2 k v1 2 5 02 2 7 1 6 k v1 2 o o2 2 6 在1 2 。左右的衍射峰属于s i l ki ，随着浓度的增加，除电压影响的x 衍射图先向右 后向左移动外，其它的峰向右移动。2 2 7 。左右的峰属于是s i l l ( i 和s i l k i i 混合的衍射峰， 随浓度增加，向低峰2 0 7 。方向移动，2 0 7 。是s i l ki i 的衍射峰，丝素结构有向结构 相对稳定的s i l ki i 转变的趋势。 接收距离增加，纺丝射流在静电场中的运行路径和时间增加，静电力能对纤维进 行充分有效地拉伸，纤维内部大分子有序排列的程度加强，有利于提高纤维的结晶度。 同时溶剂挥发的时间增长，纤维的固化程度大，仍以s i l ki 为主。 电压的升高再生柞蚕丝丝素蛋白静电纺非织造网的分子构象变化比较复杂，并非 完全向有序的s i l k i i 结构变化。这是因为当其他参数一定时，随着电压的增加，静电 力对纺丝细流的牵伸作用增强，部分带极性的链段将在电场作用下发生定向排列，纤 再生柞蚕丝丝素静电纺及结构研究 第二章纺丝参数对纤维形态和结构的影响 维内部分子链的结构具有从无规或s i l k i 变为s i l k i i 结晶的可能；另一方面，在整个静 电纺丝过程中，除了受到静电场牵伸力作用外，整个纤维射流受到的其它力较静电力 非常小，在三维空间中运行的纤维细流簇内的分子通过运动有向无规卷曲转化的趋势 【7 6 1 。两种作用的强弱比决定了构象的最终变化。 2 3 3 1 热分析 ab c 图2 11 质量分数变化的柞蚕丝丝素非织造网d t a t ga5 b8 c1 0 ab 再生柞蚕丝丝素静电纺及结构研究第二章纺丝参数对纤维形态和结构的影响 c 图2 1 2 电压变化的柞蚕丝丝素非织网d t a t gf l , 8 k vb 1 2 k v c 1 6 k v ab c 图2 1 3 距离变化的柞蚕丝丝素非织网d t a t ga7 c mb 1 0 c mc 1 3 c m 从以上各d t a t g 图的t g 曲线上可以看到三个热吸收峰，两个强，一个弱，在 3 6 6 o 附近的强吸热峰，是柞蚕丝丝素蛋白的热分解吸热峰【7 7 1 。在1 3 5 - - 2 5 0 。c 出现 的吸热- 放热的转变，是0 【螺旋结构剧烈分子运动及无规线团变成0 【螺旋结构或b 折叠 结构引起的。在图柞蚕丝丝素蛋白的热分解吸热峰位置基本不变，构象转变的峰的位 再生柞蚕丝丝素静电纺及结构研究第二章纺丝参数对纤维形态和结构的影响 置变化很小，说明质量分数、接收距离和电压对构象的影响很小，因此仅通过改变参 数使结构从无规或a 螺旋向更为稳定的1 3 折叠转变的作用很小，需通过其他后处理方 式才能达到目的。 从d t a 曲线上可以看出，柞蚕丝丝素静电纺非织网的热失重分为两个阶段：第一 阶段是加热至u 1 5 0 左右，失重较小，第二阶段是1 5 0 - 5 0 0 ，失重较大。，这一热 失重行为的变化与丝素蛋白p 折叠结构的消失和a 螺旋结构的产生之间的关系尚待 进一步研究。 3 2 再生柞蚕丝丝素静电纺及结构研究第三章溶剂残留的测定及乙醇后处理 第三章溶剂残留的测定及乙醇后处理 静电纺所选用的溶剂必须具有良好的挥发性，目前桑蚕丝再生丝素膜的再溶解有 甲酸、h f i p 、六氟丙酮等溶剂。柞蚕丝丝素膜在甲酸中不溶。h f i p 是一种新型的含 氟化合物，熔点3 3 。c ，密度1 6 0 4 7 9 m l ，是一种高极性的溶剂，与水和许多有机溶 剂很容易混合。很多天然高聚物或天然高聚物与合成高聚物的混合物如胶原、弹性蛋 白、胶原聚醚胺酯脲的静电纺用h f i p 作为溶剂。再生柞蚕丝丝素膜在h f i p 中一定 时间可以再溶解形成溶液用于静电纺。 h f i p 虽然挥发性极强，但在静电纺丝形成纤维后仍有一定的残余，带有h f i p 的纤维作为生物材料用于组织工程支架培养细胞是会引起细胞中毒，乙醇处理可降低 残留，但纤维在用乙醇后处理时，引起非织造网收缩变形。气相色谱质谱( g c m s 法) 可测定很多水产品中氯霉素( c a p ) 、氟甲砜霉素( f f ) 和甲砜霉素( t a p ) 残 留量的方法。也可用于测定土壤和大气环境中有机污染物测定【7 9 】、毒物检验、食品添 加剂测定、食品农药残留检测1 8 0 】。在精油分析，香精香料分析，化工产品分析，工业 助剂分析，有机溶剂配方测定，饮用水、自来水、废水中有机成份分析等均有广泛的 应用。因此本章拟采用h f i p 溶解柞蚕丝丝素膜，静电纺丝后，用色谱质谱法测定 h f i p 在未处理和用乙醇处理后纤维中的残留。用扫描电镜观察乙醇处理后纤维表面 形态的变化，用红外光谱和x 射线衍射法比较处理后二级构象的变化。 3 1 静电纺丝 3 1 1 实验材料和实验方法 3 1 1 1 实验材料与仪器 同2 1 1 1 。 3 1 1 2 实验方法 ( 1 ) ( 3 ) 同2 1 1 。2 。 ( 4 ) 静电纺丝 纺丝液质量分数1 0 ，纺丝电压1 2 k v ，接收距离1 0 c m 。 ( 5 ) 静电纺丝非织造网的后处理 再生柞蚕丝丝素静电纺及结构研究第三章溶剂残留的测定及乙醇后处理 每个样品为0 1 9 ，4 个样品。试样1 为纺好后马上装入密封袋中的样品：试样 2 样品放置在自然环境中2 4 小时；试样3 样品放入纯乙醇中浸泡2 4 小时后自然风干： 试样4 样品放入纯乙醇浸泡2 4 小时后，再放入8 5 的乙醇溶液中浸泡2 4 小时自然风 干。 3 2h f i p 残留量测试 3 2 1 测试 测试仪器：f i n n i g a n v o y a g e r 型气相色谱一质谱联用仪( g c m s ) 。 检测环境条件：室内温度：1 8 ，相对湿度：2 8 。 检测依据：1 、质谱分析方法通则( g b t6 0 4 1 2 0 0 2 ) 2 、有机质谱分析方法通则 ( j y t 0 0 3 1 9 9 6 ) 。 质谱分析方法通则( g e n e r a lr u l e sf o rm a s ss p e c t r o m e t r i ca n a l y s i s ) 是由中华人民 共和国国家质量监督检验检疫总局发布规定了用质谱仪进行物质定量分析的一般方 法。有机质谱分析方法通则( g e n e r a lp r i n c i p l e sf o ro r g a n i cm a s ss p e c t r o m e t r y ) 规定了 有机质谱法分析方法，适用于带有计算机数据处理及控制的质谱仪器。通则适用于所 用仪器规定质量范围内的有机化合物定性和定量分析。 色质联机是由色谱和质谱两大部分组成，一个多组分样品先经裂解器打成“碎 片”，再经色谱进行分离，各单一组分接其在柱中的不同保留时间随载气依次离开色 谱柱，经过两仪器间的连接装置然后进入质谱仪，经快速扫描即得相应的质谱图，根 据质谱图进行结构分析【8 l 】。 气相色谱法用气体作为流动相，气液色谱用高沸点的有机化合物涂渍在惰性载体 上作为固定相。气液色谱的分离原理【8 2 1 为：试样组分随载气进入色谱柱，组分溶解到 固定液体中，随着载气的连续流动，溶解的组分挥发到气相中，并如此反复进行溶解 和挥发。固定液中溶解度不同，溶解度大的组分，难挥发，停留在柱中时间长，移动 慢。而溶解度小的组分，易挥发，停留在柱中的时间短，移动快。经过一段时间，各 组分就彼此分离。 质谱分析的基本原理【8 3 1 是样品以一定的方式进入质谱仪，在质谱仪离子源作用 下，气态分子或固体、液体的蒸气分子在高真空状态下受到高能电子流的轰击，失去 外层电子，生成带正电荷的阳离子的化学键断裂，产生与原分子结构有关、具有不同 墨生堑重竺丝耋堑皇望垦丝塑堕塞 蔓三兰篁型壁曼堕塑坚垒堑望型量壁里一 质荷比( 州z ) 的碎片离子。它们在通过质量分析器时，受到磁场和静电场的综合作 用，按州z 不同分开，经