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丝素蛋白在室温离子液体中的溶解与再生性能研究助材料2008年第10期(39)卷丝素蛋白在室温离子液体中的溶解与再生性能研究朱海霖,冯新星,陈建勇,郭玉海,张华鹏(浙江理工大学”先进纺织材料与制备技术”教育部重点实验室材料与纺织学院,浙江杭州310o18)摘要:宣温离子液体l一烯丙基一3一甲基氯代咪唑和1一(2一羟乙基)一3一甲基氯代咪唑是丝素蛋白的新型良溶剂.丝素蛋白在1一烯丙基-3-甲基氯代咪唑和1-(2-羟乙基)一3一甲基氯代咪唑中的溶解度分别为14.5(质量分数)(100)和8.0(质量分数)(80).向离子液体丝素溶液中加入乙醇或正丁醇可获得再生丝素蛋白.xrd和ft-raman研究表明再生丝素蛋白膜的构象主要是f-折叠结构.tga数据表明再生丝素蛋白的热稳定性比天然丝素纤维有所降低,热失重残留物有所增加.同时,机械性能和溶失率分析结果显示从离子液体中再生的丝素蛋白表现出良好的湿态机械性能和优异的稳定性.关键词:丝素蛋白;室温离子液体;溶解;再生中图分类号:0636.9文献标识码:a文章编号:1001-9731(2008)10-1710-041引言丝素蛋白是蚕丝的主要组成部分,约占总重量的75,是一种天然的蛋白质.由于丝素蛋白具有良好的生物相容性和优异的物理,化学性质,近年来有关丝素在生物和医学领域的开发和应用研究很活跃,如用于固定化酶材料1矗,组织工程材料3棚,药物控制释放材料5,人工皮肤7等.天然丝素纤维含有大量分子内和分子间氢键,结晶度较高而难溶解于一般的溶剂.目前常用的溶解体系是caci2-gh5oh-h20体系和libr溶液.丝素经混合溶剂溶解后需要进行耗时较长的透析过程,而且得到的丝素水溶液容易凝胶化.近年来,研究者开发了其它一些能够溶解丝素纤维的溶剂,如甲酸8,六氟异丙醇,六氟丙酮和n一甲基吗啉一n_氧化物一水和物11等,而这些溶剂或多或少存在有毒害,不稳定,不易回收,价格昂贵等缺点.室温离子液体是完全由离子组成的液体,在室温和近乎子室温呈液态的熔融盐体系.它一般由含氮,磷的有机阳离子与卤素,四氟硼酸根等阴离子组成.由于室温离子液体具备强极性,不挥发,毒性小,良好的溶解性,易回收利用等特点,使其成为极具应用前景的绿色环保型溶剂.最近,david等12发现1一丁基一3一甲基咪唑氯代离子液体可以溶解丝素纤维,为丝素溶剂体系的开发研究开辟了一个新领域.合成了两种室温离子液体:1一烯丙基一3一甲基氯代咪唑(amimci)和i-(2-羟乙基-3-甲基氯代咪唑(hemimci),这两种离子液体对丝素具有较好的溶解能力.本文通过将丝素/离子液体溶液浸渍在不同溶剂中得到再生丝素膜,并对再生丝素膜结构与性能进行了研究.2实验2.1实验材料与仪器家蚕丝(浙江桐乡);n一甲基咪唑(江苏盐城药物化工厂,纯度>99);烯丙基氯,羟乙基氯,无水乙醇,正丁醇等均为进口或国产分析纯试剂.2.2室温离子液体amimci和hemimci的合成分别按文献13,l4制备了amimcl和hemimci,并经hnmr确证.2.3丝素在室温离子液体中的溶解将脱胶的丝纤维分别加入到amimcl和hemimci中,在8oiooc油浴中施以磁力搅拌.溶解过程可用leica-dmlp偏光显微镜观察.2.4丝素的再生与性能测试将丝素/离子液体溶液均匀铺在玻璃板上,分别用乙醇和正丁醇浸泡30min.将再生的丝素膜取出,用去离子水清洗干净.将再生丝素在室温下自然晾干,可得到白色透明的再生丝素膜层.2.4.1afm测试采用digital公司的nanoscopeilia原子力显微镜,用标准硅探针轻敲模式对样品成像.2.4.2xrd测试采用arl-xtra型x射线衍射仪测定样品的xrd谱,在cuka射线下,管电压45kv,管电流40ma,扫描速度为2./min,角度范围为5拉曼测试采用therm-nicolet公司的ft-raman960拉曼光谱仪测定样品的拉曼光谱.2.4.4tga测试采用美国pe公司pyrisdiamondtga热重分析仪测定样品的热学性能,n.保护,通气速率为2o.oml/min,升温范围507o0,升温速率为10/?基金项目:国家自然科学基金资助项目(50573068)i教育部博士点基金资助项目(20060338001)i浙江省自然科学基金资助项目(y405459)收到初稿日期:2008-04一ii收到修改稿日期:2008?0731通讯作者:陈建勇作者简介:朱海霖(1978一),女,浙江桐乡人.讲师,主要从事功能材料,生物材料研究.朱海霖等:丝素蛋白在室温离子液体中的溶解与再生性能研究min,样品质量约为10mg.2.4.5机械性能的测试将丝素膜在水中浸泡24h后用instron5543型电子强力仪进行强力拉伸实验(20),拉伸速率为10mm/min,夹持长度为20mm.2.4.6水溶失率测试称取干态丝素蛋白薄膜重量(w),将其浸入磷酸盐缓冲液(pbs)中,于37下放置1,5和10d取出,在7o下干燥5h,称取干燥后的丝素蛋白薄膜的重量(w),按下式计算水溶失率(s):s():f)-tjj11o0w2.5离子液体的再生将混有离子液体的乙醇和正丁醇溶液置于旋转蒸发仪上,减压蒸馏除去溶剂,可回收离子液体.回收的离子液体可再次用于丝素的溶解,单次回收率为9o.3结果与讨论3.1amimci和hemimci对丝素的溶解性能丝素在amimci和hemimc1中的溶解可以通过偏光显微镜观察.在偏光显微镜下观察到,脱胶丝素纤维在室温离子液体中首先发生溶胀,由丝素纤维组成的集束结构逐渐变得松散.随着溶解过程的继续,丝素纤维逐渐变细变短,直至溶解.完全溶解时,偏光显微镜下呈现黑场.研究发现,温度对丝素的溶解有较大的影响.8o时,丝素在amimci中的溶解度为9.1(质量分数).当温度升高至100时,丝素的溶解度可达14.5(质量分数).而对于hemimci,由于含羟基的季铵盐对热稳定性比常规季铵盐要低,虽然文献e14-i报道hemimci能在90稳定存在,但考虑到温度超过90含羟基的季铵盐有可能发生分解,因此本文在用hemimcl溶解丝素时采用的温度为8o,在此温度下,丝素在hemimci中的溶解度为8(质量分数)左右.3.2amimc1和hemimjc1溶解丝素的机理探讨文献12报道丝素的溶解性与离子液体中的阴阳离子都有关系.含cl一的离子液体能够溶解丝素,而含i一,b,a1ci7的离子液体则不能溶解丝素,其原因可能是强氢键接受体cl一可以破坏丝素分子内或分子间氢键,从而使丝素纤维溶解.图1(a),(d)和(e)分别为丝素纤维和溶解于两种离子液体后丝素的xrd谱图.从图1中可以看出(a)天然丝素纤维;(b)经乙醇再生的丝素膜;(c)经正丁醇再生的丝素膜;(d)10(质量分数)丝的素的amimc1离子液体溶液(从100冷却至25);(e)8(质量分数)丝素的hemimci离子液体溶液(从100冷却至25),丝素纤维在2o和24.(2)分别出现一个强衍射峰和一个较弱的衍射峰,这两个衍射峰是silk(b-折叠)的特征峰,表明丝素纤维主要为p一折叠构象1引.而丝素溶于离子液体后的衍射图谱与未溶解的丝素纤维截然不同,是一个宽的非晶衍射峰,说明离子液体能够破坏丝素的结晶结构,丝素在离子液体中主要以非晶态(无规卷曲形态)存在.图1x射线衍射图fig1xrdpatterns3.3再生丝素膜的结构由于甲醇和乙腈能与室温离子液体互溶,文献123采用这两种溶剂作为丝素的再生试剂.考虑到甲醇和乙腈毒性较大,本文尝试采用低毒性的乙醇和正丁醇作为再生试剂.图2为再生丝素膜的表面afm照片.从图2可以看出,经乙醇和正丁醇固化的再生丝素膜表面平坦均匀.一般认为丝素蛋白有两种结晶结构,即silki和silkii.silki的主要构象是a一螺旋,衍射峰在20=12.2和28.2.处;而silk(b一折叠)的主要衍射峰在28=18.9,20.7和24.o.处【1”.图1(b)和(c)为再生丝素膜的xrd谱图.从图2中可以看出,经乙醇和正丁醇处理的再生丝素蛋白膜在2o和24.存在特征峰,显示出与丝素纤维相同的特征峰,说明乙醇和正丁醇的加入引起了丝素从无规卷曲构象向b一折叠构象的转变.lallb】图2再生丝素膜的afm图fig2afmsurfaceimagesoftheregeneratedsilkfibroinfilmrinsedwithethanolandnbutanolft-raman光谱法是测定丝素蛋白构象的常用方法之一.根据报道,丝素f.折叠构象的拉曼特征峰在1084,1229和1670cm.1附近,而无规卷曲和a一螺旋构象的特征峰在1245,1270和1645cmi1附近1.图3为再生丝素膜和丝素纤维的拉曼光谱图.从图3中可以看出,再生丝素膜的拉曼特征吸收峰与丝素纤维的特征峰类似,均出现于1084,1229和1670cm-1附近,说明再生丝素膜的主要构象为折叠,拉曼光谱测定的结果与xrd结果一致.助能材(39)卷图3丝纤维与再生丝素膜的拉曼光谱图fig3ft-ramanspectraofthesilkfiber,theregeneratedsilkfibroinfilmrinsedwithethanolandn-butanol3.4再生丝素膜的tga和dtg分析丝素纤维和再生丝素膜的tga(图4)和dtg曲线(图5)上都有1个明显的热转变区域(300左右).如图4,5所示,加热到100,丝素纤维和再生丝素膜失重为8左右,可归结为吸附微量水的脱附【1妇;从29o500,丝素纤维和再生丝素膜失重为60左右,主要是丝素分子间侧链受到破坏引起的2.从图中可以看出,再生丝素膜的最大热分解温度较天然丝素纤维有所降低,一定程度上反映了其热稳定性略有降低.原因可能是天然丝素纤维分子量大,结晶度较高,而从两种室温离子液体中得到的再生丝素由于溶剂的作用,部分分子链断裂,使得分子量比天然丝素纤维的分子量有所降低.同时,再生丝素膜热分解残留物较天然丝素纤维要多,但不同的离子液体对丝素的热分解残留量无影响.temperare/*c图4丝纤维与再生丝素膜的tg曲线图fig4thermogravimetriccurvesofthesilkfiber,thesilkfibroinregeneratedfromamimciandhemimcitemperatm/c图5丝纤维与再生丝素的dtg曲线图fig5dtgcurvesofthesilkfiber,thesilkfibroinregeneratedfromamimjc1andhemimci3.5再生丝素的机械性能和稳定性机械性能和在水中的稳定性是决定材料应用的关键因素.由于生物材料基本都是在湿态条件下使用,因此在本实验中,机械拉伸曲线也是在湿态条件下测得的.表1显示了从两种离子液体中再生的丝素膜的湿态机械拉伸强度.表1再生丝素膜的机械强度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结果表明,用乙醇作为凝固浴得到的再生丝素膜的拉伸强度比用正丁醇作凝固浴的再生丝素膜略大一些,而两者的断裂伸长率则比较接近.与haeyong报道的2i丝素蛋白水溶液中再生的丝素膜相比,从离子液体中再生的丝素膜拉伸强度要优于从水溶液中再生的丝素膜(机械强度4.5mpa.断裂伸长率为1o),而断裂伸长率则相差不大.说明从离子液体中再生的丝素具有良好的湿态机械强度,适合用于生物材料.实验中材料在水中的稳定性通过测定再生丝素膜在pbs缓冲液中的溶失率来表征.经乙醇固化的再生丝素膜在pbs缓冲液中浸泡1,5和10d的溶失率分别为2.8,2.0和2.2i而经正丁醇固化的再生丝素膜的溶螺旋romol,2001,29:9197?和无规构象易于在水中溶解,所以再生丝素膜较小的9zhaoc,yaojm,masudah?etal?j.biopolymers,水溶失率应该折叠构象导致的结果.10h.zha0ceta1.j.m.romolecuies,4结论2002,35:6-9.11freddig,pessinag,tsukadam.rj.intjbiomacro,研究合成的两种室温离子液体amimc1和1999,24:251263.hemimci均为丝素蛋白的新型良溶剂.向丝素/离121da,idmp,lawecefd,debohgc,eta1.j.jam子液体溶液中加入乙醇或正丁醇可获得再生丝素蛋chemsoc2004,126:1435014351.白.xrd和ftraman研究表明再生丝素蛋白膜的13任强.武进.张军,等.j.高分子,2003,3:构象主要是口一折叠结构.再生丝素膜的热稳定性比天448450?然丝素略有降低,但热分解残留物较天然丝素纤维要141brancolc,rosajn,mouraramosjj,etal?j.chem多.由于再生丝素蛋白膜的构象主要是f_折叠结构,e”j,200,83671-.?因此表现出良好的机械强度和优异的稳性.1引ferdehcmlowlyei.behmliowg;schs.,mhiexla1.ypph瑚ase.参考文献: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陈建勇,刘冠峰,沈之荃?j?高等学校化学,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,ch