（纺织工程专业论文）再生柞蚕丝素纤维的纺制及其结构性能研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

再生作蚕丝索纤维的纺制及其结构性能研究 中文提要 再生柞蚕丝素纤维的纺制及其结构性能研究 中文提要 本文研究了再生柞蚕丝素纤维的制各及其结构性能。用1 6 m 的l i s c n 水溶液在 5 0 c 温度下溶解柞蚕丝素纤维2 小时，得到柞蚕丝索蛋白溶液，将其透析成膜后用 六氟异丙醇( v l f t p ) 溶解，得到纺丝液，采用湿法纺丝得到再生柞蚕丝素纤维。 采用s d s 丙烯酰胺凝胶电泳法测得再生柞蚕丝素蛋白的分子量是连续分布的， 且分布范围比较大，最大分子量大于2 0 0 k d ；用扫描电镜观察到再生柞蚕丝素纤维 与天然柞蚕丝索纤维的纵截面相差不大，横截面光滑度差别较大：x 射线衍射结果 表明再生柞蚕丝索纤维的结晶度小于天然柞蚕丝索纤维；红外光谱、拉曼光谱和核 磁共振光谱结果表明再生柞蚕丝素纤维含有b 折叠、q 一螺旋和无规卷曲分子构象。 d s c 研究结果表明再生柞蚕丝素纤维的热分解温度和天然柞蚕丝素纤维的热分解温 度相似：单纤维强力仪测得再生柞蚕丝素纤维的断裂强度是天然柞蚕丝索纤维的 5 22 0 。体外放线菌酶降解实验表明再生柞蚕丝素纤维降解很少。 关键词：再生柞蚕丝素纤维；纺丝：力学性能；降解 作者：刘雷良 指导教师：左保齐 r e s e a r c ho n s p i n n i n g a n ds t r u c t u r e p r o p e r t i e s o 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 nf i b e r s a b s t r a e t t h i sp a p e rh a ss t u d i e dt h es p i n n i n ga n ds t r u c t u r ep r o p e r t i e so f r e g e n e r a t e dt u s s a h s i l kf i b r o i nf i b e r s t u s s a hs i l kf i b r o i np r o t e i nw a so b t a i n e db yu s i n g1 6 ml i t h i u m t h i o c y a n a t es o l u t i o n st od i s s o l v et u s s a hs i l kf i b r o i nf i b e ra t5 0 。cf o r2h o u r s t h e s o l u t i o nw a sd i a l y z e di nac e l l u l o s et u b ea g a i n s tw a t e rf o r3 d a y s ，t h e nt h e yw e r ed r i e d a tr o o mt e m p e r a t u r et oo b t a i nt h ef i l m d i s s o l v i n gt h ef i l mi nh f i ps o l u t i o n ，t h e n o b t a i n e dt h er e g e n e r a t e dt u s s a hs i l kf i b r o i nf i b e r ss p u nb yw 融- s p i n n i n ga n dh e a t t r e a t i n g t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h el a r g e s tm o l e c u l a rw e i g h to ft u s s a hs i l kf i b r o i n s o l u t i o nd i s s o l v e di nl i t h i u mt h i o c y a n a t es o l u t i o n ，e x a m i n e db ys d s - p a g eg e l e l e c t r o p h o r e s i s ，w a sa b o v e2 0 0 k d s e e n f r o ms e m ，t h e r ew a sn os i g n i f i c a n t d i f f e r e n c eb e t w e e nr e g e n e r a t e df i b e r sa n dn a t i v ef i b e r s x r a yd i f f r a c t i o ni n d i c a t e d t h a tt h ec r y s t a l l i n eo fr e g e n e r a t e df i b e r sw a sl o w e rt h a nt h en a t i v ef i b e r s t h er e s u l t s o f f t i r , r a m a ns p e c t r u m ，n u ms p e c t r u mi n d i c a t e dt h a tr e g e n e r a t e df i b e r sc o n t a i n e d 1 3 - s h e e t , h e l i xa n dr a n d o mc o i ic o n f o r m a t i o n t h er e s u l t so fd s cs h o w e dt h a t d e c o m p o s i t i o nt e m p e r a t u r eo fr e g e n e r a t e df i b e r sw a ss i m i l a rt on a t i v ef i b e r s t h e b r e a k i n gs t r e n g t ho fr e g e n e r a t e df i b e r sw a s5 2 2 0p e r c e n tt on a t i v ef i b e r s b o t ho f t h e ma l m o s tn o td e g r a d e d k e y w o r d s ：r e g e n e r a t e dt u s s a hs i l kf i b m i nf i b e r ；s p i n n i n g ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ； d e g r a d a t i o n w f i r e n b y ： s u p e r v i s e db y ： l e i g e nl i u p r o fb 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，也不舍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：奁! 】霭瑶日期；墨g 口6 睾目 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) 授权苏卅【大 学学位办办理。 研究生签名：参量照 日期：2 盟6 垒翊 ， 导师签名：雄日期：2 旦型皿 再生作蚕丝素纤维的纺制及其结构性能研究第一章前言 第一章前言 中国使用蚕丝的历史长达几千年，古丝绸之路更证明了我国丝绸业的繁荣和发 展。而丝绸在纺织领域的广泛应用是与蚕丝自身的特性息息相关的。蚕丝是一种天然 高分子蛋白质纤维，具有优良的服用舒适性、完美的光泽、良好的悬垂性和飘逸性， 以及优良的吸湿性能，这使其拥有纤维皇后之称。但是由于桑蚕丝含有酪氨酸，易吸 收紫外线而泛黄，并且抗皱性能较差，水洗后易变形。柞蚕丝则易产生水渍与原纤化， 影响其服用性能。 随着科学技术的曰益进步，人们研究发现蚕丝除了可以在纺织领域发挥巨大作用 之外，还可以应用于生物医学领域。这是因为蚕丝中的丝索是纯度很高的蛋白质，具 有良好的生物相容性、其本身及降解产物对细胞和机体的无毒性、不会或较少引起炎 症和免疫排斥反应等优点，所以它们能应用于生物医药领域。因此，近年来很多科学 家开始把研究重点转向研究蚕丝服饰用途以外的领域。最近几年，由于在生物技术和 生物医用材料方向对新型材料的需求，而导致对天然高分子材料理化性能与结构功能 之间关系的研究迅速发展起来，使得对蚕丝在生物医学领域应用的研究也迅速发展起 来。 柞蚕丝作为桑蚕丝的一种变体，以其特有的粗犷华贵、典雅自然的外观风格和吸 湿透气、舒适保健的内在品质享誉国内外。它除了具备一般蚕丝在纺织领域及生物医 药领域的优点之外，它还具备桑蚕丝在生物医用材料方向所不具备的优点，即它含有 大量的a r g g l y a s p ( 精氨酸乙氨酸一天门冬氨酸，r g d ) 三肽序列，并且经证明该 序列对细胞的粘附有利。3 1 。这一点在s o f i a 4 i 等的体外细胞培养实验中得以证明。他 们将材料用r g d 共价修饰时，细胞在材料上的活性增强，并且促进了类成骨细胞的 矿质化，增强了体外骨骼形成的诱导。因此柞蚕丝素有望在作为细胞培养基质、伤口 覆盖膜、人造皮肤及组织工程支架材料和生物医用材料改性等方面形成较大的应用研 究成果。而柞蚕是我国的优势资源，因此对其研究具有重要应用价值。 再生作蚕丝素纤维的纺制及其结构| 生能研究 第一章前言 目前国内外有关柞蚕丝的研究主要集中在柞蚕丝的组成与结构、柞蚕丝素膜、柞 蚕丝素膜的化学交联、柞蚕丝素纤维、柞蚕丝素细胞粘附性能、柞蚕丝素溶解性能以 及柞蚕丝素应用等方面。 1 1 柞蚕丝的组成和结构研究现状 l1 1 柞蚕丝的组成 柞蚕丝是由丝索和丝胶两部分组成，丝胶包在丝素的外部，是一种高分子量的球 蛋白，其大分子支链上亲水基含量较高，链排列不紧密，所以易溶于水、稀酸和稀碱， 能被蛋白酶水解。毕可贤研究的丝胶氨基酸组成【5 1 见表1 - 1 ，其中丝氨酸、苏氨酸、 天门冬氨酸和乙氨酸的总量占丝胶中氨基酸总量的5 86 5 。 表1 - 1 柞蚕丝胶的氨基酸组成【5 氨基酸含- 藿氨基酸含量 乙氨酸 86 9 蛋氨酸 01 2 丙氨酸 21 4丝氨酸1 9 9 4 缬氨酸 21 8 苏氨酸 1 5 1 6 亮氨酸 l9 l酪氨酸 72 8 异亮氨酸 15 0 天门冬氨酸 1 4 8 6 脯氨酸 33 3谷氨酸 7 0 7 苯丙氨酸 10 5精氨酸 6 2 9 色氨酸 o2 0组氨酸 55 8 胱氨酸 0 2 7 赖氨酸 l5 4 再生作蠢丝索纤维的纺制及其结构性能研究 第一章前言 表1 - 2 每1 0 0 克丝素蛋白质中含各种氨基酸克数6 7 氨基酸名称柞蚕丝素 家蚕幺幺囊 氨基酸名称 柞蚕幺幺素 家蚕丝素 乙氨酸 2 58 53 6 0 7谷氨酸 21 2l8 4 丙氨酸 4 4l l2 8 0 7赖氨酸 o2 105 l 缬氨酸 15 22 8 7精氨酸 51 3 0 9 3 亮氨酸 0 4 0 0 7 0 苯丙氨酸 04 7l1 7 异亮氨酸 0 3 8 09 l 酪氨酸 90 l1 3 0 5 丝氨酸 1 28 91 l5 9 组氨酸 l5 6o3 7 苏氨酸 04 7 11 3 脯氨酸 0 4 70 4 4 胱氨酸 o2 3 o2 4 甲硫氨酸 o5 001 l 天门冬氨酸 8 2 22 3 7色氨酸 17 5 0 4 4 表i 3 丝素蛋白质中氨基酸的分类 氨基酸种类 柞罨幺幺囊 家蚕丝素 酸性( ) 1 03 442 l 碱性( ) 69 01 4 4 中性( ) 9 80 59 91 6 表1 4 丝素的有机元素含量【6 元素名称 碳氢氧氮 硫 柞罨鲐素4 6 4 6 67 3 2 85 2 6 1 82 l00 4 7 家蚕丝素 4 80 4 9 1 6 4 65 l2 60 2 701 73 5 一1 88 0 3 再生怍蚕丝录纤维的纺制殷其结构性能研= ) = i ： 第一章前言 柞蚕丝索属于高分子重链结构蛋白，其氨基酸组成见表1 2 f “。由表1 2 可以看出 柞蚕丝素氨基酸组成特点是含有大量的丙氨酸，乙氨酸和丝氨酸，并且丙氨酸的含量) 乙氨酸的含量) 丝氨酸的含量，从表l - 2 中数据可以计算出这三种氨基酸占柞蚕丝素 中氨基酸总量的8 0 p a 上，其余1 5 种氨基酸仅占1 0 多些。与家蚕丝素相比，柞蚕 丝素中丙氨酸含量较多，乙氨酸含量较少，但是富含天门冬氨酸和精氨酸，它们与乙 氨酸形成r g d 三肽序列，对细胞黏附有利，并且柞蚕丝素中还含有家蚕丝素中没有 的聚丙氨酸结构【8 1 。 将表1 2 中氨基酸分类可得出表1 3 ，由此可知柞蚕丝丝素的极性基比家蚕丝多。 柞蚕丝素中除含有碳、氢、氧、氮四种元素之外还含有少量的硫，其有机元素含 量见表1 - 4 6 | 。1 9 6 2 年桐村9 曾在分析氨基酸的组成时指出丝素中含有含硫的胱氨酸、 甲硫氨酸。1 9 8 2 年毕可贤1 6 1 分析出丝素中含有硫元素。 1 1 2 柞蚕丝的结构 天然柞蚕丝索的结构有结晶部分和非结晶部分，结晶结构的形态有b 折叠和a 螺旋结构【6 i ，平林沽i i e n 了，柞蚕丝素结晶区是聚丙氨酸为主要构成“，聚丙氨酸结构 利于形成c 螺旋结构i s l 。非结晶部分中含有无规卷曲结构【9 1 。 1 2 柞蚕丝纤维改性的研究 天然柞蚕丝纤维抗皱性能差，易变形，纤维存在原纤化特征。原纤化是指在湿整 理过程中，由于纤维膨胀和机械张力作用，单个原纤沿纤维表面裂开的现象。为了改 进这些服用上的缺点，一些研究者采用物理化学方法对天然柞蚕丝纤维进行处理，希 望改变天然柞蚕丝纤维存在的这些不足之处。 k a w a h a r a e “1 用锡酸处理桑蚕丝纤维和柞蚕丝纤维，研究其微孔特征。为了研究 桑蚕丝纤维和柞蚕丝纤维中微孔的体积、大小和数量，用锡酸凝胶作为小角x 散射的 对照介质。先用广角x 衍射来研究锡酸处理对丝纤维结构的影响，研究了丝纤维内锡 酸凝胶的增加对晶体大小和取向度的影响，发现锡酸处理对晶体大小和取向度的影响 不大。当纤维中锡酸凝胶的体积片断超过1 0 时，结晶指数发生变化，而在锡酸凝胶 片断少于1 0 的区域内丝纤维的结构没有发生变化。 再生怍蚕丝索纤维的纺制肚转结构性能研究 第一章前言 林红f 1 2 1 等对经锡盐处理过的桑蚕丝和柞蚕丝进行了微观形态分析和力学性能测 试，发现增重处理后桑蚕丝纤维的抗侵蚀性被改变，其内应力减小，蠕变伸长变大： 与桑蚕丝相比，柞蚕丝的增重率较大，应力变化与桑蚕丝不同，随增重率的提高，应 力呈增加的趋势。 邹利云【”1 等用微波处理桑蚕丝和柞蚕丝，研究微波处理后丝纤维的结构和性能， 研究结果表明，经过微波处理之后，桑蚕丝的强力会减4 、，其断裂伸长由于湿热收缩 较大，微波短时间处理后会有上升，随后由于受到强力的影响，伸长又有所下降：柞 蚕丝由于其强力总体上呈上升趋势，再加上湿热收缩，所以其断裂伸长亦是上升的。 微波处理之后，桑蚕丝的急弹性和弹性变形在总体上是上升的，而柞蚕丝的急弹性和 弹性变形在总体上呈下降的趋势，但短时问处理后弹性是上升的。微波短时间处理后， 柞蚕丝、桑蚕丝都会产生结晶化的趋向，而长时间微波处理后，会使得纤维的结晶化 趋向遭到破坏。 陈宇岳【“1 等用低温氧等离子体处理柞蚕丝，结果表明：经低温氧等离子体处理 后，柞蚕丝纤维表面出现纵向条纹沟槽，且等离子体对柞蚕丝索的轰击作用比丝胶显 著。柞蚕丝经低温氧等离体处理后，再经离子刻蚀，其丝纤维表面刻蚀深度明显比未 处理丝深，刻蚀纹也变大。柞蚕丝素纤维内部聚集态结构发生了变化，丝索纤维内部 b 结构下降：并且柞蚕丝的多链段取向变化与等离子处理的能级有关。 刘爱莲”l 将桑蚕丝素液涂覆到柞蚕丝上，并经戊二醛固着处理，柞蚕丝表面包覆 了一层不溶性的丝素膜。丝素液的浓度越高，柞蚕丝涂覆增重率也越高。涂覆处理后， 柞蚕丝断裂强力显著提高。经水洗证明，丝素膜的存在对防止柞蚕丝原纤化有一定作 用。 1 3 柞蚕丝素膜的研究现状 对柞蚕丝素膜的研究，主要集中在研究柞蚕丝素膜结构及研究柞蚕丝素膜化学交 联两个方面。 1 3l 柞蚕丝素膜结构的研究现状 柞蚕丝素溶液可以通过两种方法得到，第一种方法是直接从成熟柞蚕后部丝腺中 再生怍蚕丝素纤维的纺制投其结构性能研究 第一蕈前言 提取液态丝素蛋白，另外一种方法是用溶剂来溶解柞蚕丝素纤维。一些研究者已经广 泛研究了柞蚕丝素膜的成膜温度，干燥速率和热处理【1 8 i 对分子构象的影响。 m a g o s h i l l 6 1 直接从成熟柞蚕后部丝腺中提取液态柞蚕丝索蛋白，用d s c 和红外光 谱研究其玻璃态转变温度，结晶性能和n b 构象的转变。研究表明，1 6 2 c 时发生 玻璃态转变。红外光谱研究表明q b 构象转变发生在2 2 0 。c ，在2 3 0 。c 时无定型区 域内分子构象转化为b 型晶体。 t u s u k a d a l l 7 1 直接从成熟柞蚕后部丝腺中提取液态柞蚕丝索蛋白，研究干燥速率对 其分子构象的影响。研究表明干燥速率越慢越易形成b 折叠结晶结构。即使干燥时 的温度达到5 0 c ，如果干燥速度很快，丝素膜也很难形成b 折叠结晶结构，这是因 为丝索大分子间氢键在很短时间内来不及形成的缘故。 f r e d d i l l 8 等人直接从成熟柞蚕后部丝腺中提取的液态丝素蛋白，并用2 0 0 。c 2 5 0 范围内的温度，对柞蚕丝素膜进行热处理，研究其结构的变化。在其实验结果中， d s c 曲线表明2 1 6 和2 2 6 是柞蚕丝素膜q 螺旋分子构蒙的特征峰，这两个特征峰 随着温度的升赢逐渐减弱，当加热到2 3 0 时完全消失。同时，加热到2 3 0 时，2 0 6 处的t m a 热收缩峰也消失。通过热重分析法监测到在2 1 0 。c 时开始出现重量损失。 处理温度从2 0 0 。c 升到2 5 0 时，x 衍射结果表明其分子构象从n 螺旋转变成b 折 叠结晶结构。通过红外光谱和拉曼光谱测得，当热处理温度在2 0 0 c 时，分子构象处 于n 螺旋和b 折叠的中间态，仍然存在a 螺旋构象。当处理温度达到2 0 0 以上时， 呈现b 折叠分子构象，a 螺旋消失。2 3 0 c 时开始热分解。 另一个方面，因为柞蚕丝素大分子链间及大分子内部存在强烈的作用力而很难溶 解，所以再生丝素膜的结构特征还没有得到广泛的研究。再生柞蚕丝素膜就是将纯柞 蚕丝素纤维通过化学试剂先将其溶解然后成膜，得到再生柞蚕丝素膜。因为大量的直 接提取柞蚕绢丝腺中的丝素蛋白，要耗费大量的时间，存在应用上的不便。而将柞蚕 丝素纤维溶解，既省时又可以获得大量的丝素蛋白溶液。因此将纯柞蚕丝素纤维溶解 获得丝素蛋白溶液要比直接提取更具有实际意义。其中部分研究者将柞蚕丝素纤维 溶解后，研究其再生膜的性能和分子构象。 ；耳生怍蛋丝素纤维的纺制殷其结f ：i 胜能研究 第一章前言 t s u k a d a t ”1 用l i s c n 溶液溶解柞蚕丝素，研究再生柞蚕丝素膜的物理化学性能及 其热性能，并与家蚕丝索进行比较。研究表明，与桑蚕丝素膜相比，再生柞蚕丝素膜 的热稳定性较强，玻璃态转变温度升高，但是分子形态和结晶结构没有太大的区别。 同时溶解后柞蚕丝素分子量的分布变化很大，大约在2 2 0 k d 5 0 k d 。 k w e o n 2 0 i 等用硝酸钙溶解柞蚕丝素纤维，得到丝素膜，通过x 衍射、红外光谱 和差示扫描量热法来研究热处理对再生柞蚕丝素膜结构和分子构象的影响。研究表明 热处理的时间和温度对再生柞蚕丝索膜的分子构象有很大的影响，2 3 0 c 时分子构象 发生转变，并且该转变随着温度和时间的增加而增强，热处理可以使无规卷曲转化成 b 折叠构象，但足a 一螺旋结构却未发生改变。柞蚕丝索的溶解性取决于c a ( n 0 3 ) 2 的浓度，温度和时间。 13 2 柞蚕丝索膜化学交联的研究 1 32l 甲醇和乙醇处理柞蚕丝素膜的研究 t s u k a d a1 2 1 】等人在2 0 c 时，用不同浓度的甲醇水溶液处理柞蚕丝索膜，研究了甲 醇水溶液的浓度和处理时间对柞蚕丝索膜结构的影响。x 一衍射和红外光谱结果表明， 未经过甲醇水溶液处理的柞蚕丝素膜呈a 螺旋分子构象，经短时间( 2 分钟) 甲醇水 溶液处理后其分子构象并未发生改变，此时未考虑甲醇溶液的浓度。但在2 0 。6 0 甲 醇水溶液中处理3 0 分钟后，丝素膜呈b 折叠结晶结构。并且用拉曼光谱研究了柞蚕 丝索分子构象的特征拉曼光谱波谱数。其后t s u k a d a 又研究了甲醇对丝素膜的结构和 分子构象的动态力学和热力学性能22 1 ，结果表明甲醇处理后膜的热和力学稳定性增 强。 k w e o n t 2 3j 研究了甲醇水溶液对再生柞蚕丝索膜结晶性能的热分析，采用t g a ， d s c 和d m t a 法来研究膜的热性能和动态热机械性能。结果表明再生柞蚕丝素膜的 分子构象的转变依赖于甲醇的浓度和处理的时间，经4 0 6 0 醇溶液处理5 分钟 后分子构象由无规卷曲向b 折叠转变，当浓度达到1 0 0 时，完成该转变过程。 李明忠2 川教授用l i s c n 溶解柞蚕丝素纤维，研究乙醇对柞蚕丝素膜结构和分子 构象的影响，结果表明乙醇处理后膜的分子构象为母折叠，这对稳定膜对水的稳定 阵生怍蚕丝豢纤维的纺制及其结构性能研究 第章j i 言 性是非常有价值的。 13 2 2 化学交联剂处理柞蚕丝索膜的研究 经甲醇2 1j 和乙醇【2 6 | 处理的柞蚕丝素膜富含b 折叠结构，在干燥环境中硬而且 脆，力学性能较差，在实际应用中产生困难。为了改善这些性能一些研究者用一些化 学交联剂对其进行化学处理，希望改进膜的各项性能。这些交联剂有环氧化物【“i 、甲 基丙烯酸盐【2 6 】及异丁稀酸甲酯等。 t s u k a d a 2 5 1 用乙二醇二缩水醚和丙三醇二缩水醚环氧化物来处理柞蚕丝纤维，研 究其结构特征和物理性能。研究表明，减压条件下，由于处理过程中柞蚕丝纤维吸收 的s c n 离子的接触反应使得纤维增重率达到1 4 0 。氨基酸分析表明，乙二醇二缩水 醚对酩氨酸的反应活性较强，而丙三醇二缩水醚对精氨酸的反应活性较强。并且由动 态枯弹特性决定的损失模量峰变宽，当增重率增加时，其位置线性转移到较低的温度， 并且在5 0 c 以下的低温区域出现了一个次要峰。d s c 测量结果表明，随着增重率增 加，经修饰的柞蚕丝纤维的热分解峰的位置降低r 并且参照试样中出现在2 3 4 c 2 9 0 之间的次宽吸热峰，经环氧化物处理后消失。x 衍射结果表明，环氧化物不直接影 响纤维的结晶区域，但是却使无定型区域的分子取向度降低。环氧化物处理后柞蚕丝 纤维的双折射和各向同性折射指数降低。强力和伸长降低的程度取决于环氧化物的种 类和增重率，当增重率低于6 0 时，环氧化物对柞蚕丝纤维的表面特征影响不大。此 外，t s u k a d a l 2 8 1 等还用脂族酸酐、芳族酸酐及疏水性酸酐作为化学交联剂对柞蚕丝素 纤维进行化学修饰，先用l i s c n 溶液对柞蚕丝纤维进行预处理，然后用二甲基甲酰 胺酰化，酰化后的柞蚕丝增重8 - 2 2 ，但其机械性能和主要d s c 吸收峰没有发生改 变，结果表明随着增重率增加回潮率线性减少。 李明忠【2 9 1 用聚乙烯醇对苯二甲酸作为交联剂对柞蚕丝素膜进行化学交联，并且 讨论了交联程度对水溶液和膜的机械性能的影响，期望提高膜的抗水性和机械性能。 研究结果表明，经聚乙烯醇一对苯二甲酸交联剂处理后再生柞蚕丝素膜抗水性能提高 了，并且其结构仍然是无规卷曲和a 一螺旋，交联度为2 0 时膜表现出高抗水性能和 显著的韧性。 再生作蚕丝絮纤维的纺制及其结构性能研究第一章前言 k a w a h a r a 2 6 1 等人用甲基丙烯酸盐对柞蚕丝纤维进行化学处理，研究其对柞蚕丝 纤维力学性能的影响。研究结果表明，柞蚕丝纤维用l i s c n 处理后其无定型区域的 膨胀度增加，因此甲基丙烯酸盐更容易进入到纤维内部，使得柞蚕丝纤维内甲基丙烯 酸盐的增重率增加，而在纤维表面的沉积消失，纤维硬度增加，断裂负载几乎没有发 生变化。 k o b a y a s h i l 2 7 1 用异丁稀酸甲酯处理柞蚕丝纤维，处理后纤维的抗皱性和皱纹恢复 性能提高。 1 4 柞蚕丝素细胞粘附性能的研究 生物材料表面亲水和疏水的性质影响着细胞对材料表面的粘附性能。亲水性与表 面能量有关，它影响血清蛋白对材料的吸附陛能，而吸附陛能又支配着生物学反应， 如细胞对生物材料的粘附生长。细胞外基质是细胞生长的微环境，是由许多粘连蛋白 和糖蛋白通过化学和物理交织成的复杂网络结构，细胞与细胞外基质的相互作用、信 息交换是通过细胞膜上的整合素与细胞外粘附蛋白进行的，r g d 是与细胞粘附有关的 特殊三肽结构，许多粘附蛋白和胶原都有这个三肽保守序列。而柞蚕丝素中含有r g d 三肽结构，因此，将其用来做组织工程支架材料更有利于细胞的粘附生长。目前已经 报道了较多有关家蚕丝素细胞粘附性的研究，随着对细胞粘附机理的深入研究，对含 有r g d 结构的柞蚕丝素的细胞粘附性能研究也逐渐广泛起来，其主要研究情况如下： h o u s e m a n 3 0 1 的研究表明，细胞在材料表面的粘附将直接影响细胞的生长、分化、 迁移及形态发生、整合与修复，生物材料表面固定r g d 肽，能促进由整合素与受体相 互作用介导的细胞在材料表面的粘附，成为微环境重要的决定因素。 p i e r s c h b a c h e r l 2 一l 等观察到在纤连蛋白中r g d 是细胞黏附位置。 m i n o u r a l l l 比较了家蚕丝素蛋白、柞蚕丝素蛋白和胶原三种基质，在支持l 9 2 9 成纤维细胞的粘附、增殖和生长的能力。结果表明：在家蚕丝素和柞蚕丝素基质上的 细胞生长能力要比胶原好，细胞在柞蚕丝素基质上的粘附和生长率最高，这是因为柞 蚕丝素中含有的r g d 三肽结构是细胞粘附的优良受体，而家蚕丝素中不含有该结构。 s o f i a l 4 1 等研究了体外细胞培养实验，研究结果表明，丝纤维材料能支持类成骨细 再生怍蚕丝綮纤维的纺制及其结构性能研究第一章前言 胞的粘附和生长，当材料用r g d 共价修饰时，能更进一步增强细胞活性，促进类成 骨细胞的矿质化，增强体外骨形成的诱导。 1 5 柞蚕丝素的溶解性能研究现状 天然柞蚕丝素纤维大分子链间有很强的相互作用，含有二硫键，比桑蚕丝索更难 溶解，般溶解桑蚕丝素的溶剂很难溶解柞蚕丝素。强酸和碱都能使柞蚕丝素蛋白发 生水解，使分子量大大降低。其水解试剂通常采用盐酸、磷酸和硫酸，用来制取丝素 肽和丝素粉，水解后的分子量大约在2 0 0 5 0 0 0 d 3 1 i 。但近年又出现了微波【3 2 】水解柞蚕 丝索。微波水解的原理是利用高频振动使柞蚕丝中的极性分子做高速运动，使其温度 在短时间内迅速升高，为破坏内部的化学键提供能量，从而达到水解柞蚕丝素的目的， 该方法得到的水解产物的分子量在2 0 0 0 3 0 0 0 d 之间p 2 1 。而作为医用材料必需具有一 定的机械强力，分子量小，就会使纤维的机械强力降低，因此希望溶解得到的柞蚕丝 素溶液的分子量大些，能够满足对柞蚕丝索溶液再次成型时机械强力的需求，因此研 究者采用中性盐溶液来溶解柞蚕丝素。因为中性盐溶液溶解丝素主要是通过溶液对丝 索大分子链问力的膨胀，使得大分子间氢键断裂而使丝素溶解，从而溶解得到的丝素 溶液分子量较大。目前广泛使用的溶解柞蚕丝索的中性盐溶剂有两种，即l i s c n f l 9 1 和c a ( n 0 3 ) 2 【2 0 】。研究发现l i s c n 能很好的溶解柞蚕丝素，其溶解得到的柞蚕丝素溶 液成膜后分子构象变化很小。 15 1 酸溶解柞蚕丝素制取丝素肽和丝素粉 ( 1 ) 、磷酸溶解柞蚕丝素【3 3 】 8 5 的磷酸溶液，以柞蚕丝和磷酸的浴比为l ：4 ，在1 3 0 ( 2 温度下反应4 4 , 时，柞 蚕丝素水解得到复合氨基酸。这种溶解柞蚕丝素的方法主要应用在制备丝素肽方面， 得到的丝素肽回收率达7 0 以上，且所制产品的各项指标均符合作为食品、化妆品添 加剂的要求。 ( 2 ) 、硫酸溶解柞蚕丝索f 3 4 】 浓度为5 0 0 a 的硫酸溶液( 浴比为1 ：35 ) ，1 0 0 。c 下水解柞蚕丝素l o j , 时，可得到 柞蚕丝素肽。 1 0 再生柞蛋丝豢纤维的纺制及其结构性能研究第一章前言 ( 3 ) 、盐酸溶解柞蚕丝素 3 5 l 1 0 0 c 下柞蚕丝索在4 m o l l 的盐酸溶液中水解4 8 d , 时，得到水溶性丝素粉。 l5 2 中性盐溶解柞蚕丝素制取再生柞蚕丝素膜 ( 1 ) 、c a ( n 0 3 ) 2 溶解柞蚕丝素 k w e o n 2 0 1 等人用c a f n o ，h 溶解柞蚕丝，研究结果表明柞蚕丝素的溶解性取决于 c a ( n 0 3 ) 2 的浓度、溶解时的温度和溶解时间。柞蚕丝素在5 m o l lc a ( n 0 3 ) 2 溶液中几 乎不溶解，6 m o l l 时仅溶解2 0 ( 这里不考虑温度) ，但是在熔融状态下几乎全部溶 解。而当c a ( n 0 3 ) 2 溶液浓度达到在7 m o l l 时，在1 1 0 c 时几乎全部溶解，但是在7 5 时只能溶解1 0 ，而1 0 0 c 时溶解率达到9 0 ，因此，溶解温度至少要在1 0 0 c ， 溶解2 小时才能使溶解率达到9 0 以上。并用s d s 凝胶电泳法测得c a ( n 0 3 ) 2 溶解的 柞蚕丝素溶液是混合多肽溶液，分子量在1 4 k d 以上。 ( 2 ) 、l i s c n 溶解柞蚕丝素 t s u k a d a l l 9 悃l i s c n 溶液来溶解柞蚕丝素，研究结果表明在5 5 溶解温度下，用 9 m o l 1 的l i s c n 溶液溶解柞蚕丝素2 0 分钟后，柞蚕丝素全部溶解，得到柞蚕丝索溶液。 并且用s d s 凝胶电泳法测得l i s c n 溶解的柞蚕丝素溶液的分子量在5 0 2 0 0 k d 范围内。 通过d s c 分析法，证明l i s c n 溶解的柞蚕丝素膜与天然柞蚕丝素的热性能没有太大的 区别，其物理性能没有发生明显的改变。 1 6 柞蚕丝素应用领域的研究现状 天然柞蚕丝素在一定条件下可以水解，得到丝素肽溶液或丝素肽粉。这些丝素肽 产品主要应用于食品和化妆品添加剂领域内，这是因为柞蚕丝素肽富含1 8 种氨基酸， 是目前国际上公认的最为优良的化妆品添加剂之一。 柞蚕丝索肽用于化妆品中主要有以下功能”1 。 ( 1 ) 、保湿作用：丝素肽分子结构的侧链上有许多亲水性基团( 如n h 2 ，_ c 0 0 田 位于分子立体结构的表面，具有良好的吸湿保湿作用。 ( 2 ) 、营养、活化细胞：柞蚕丝素肽中含有多种氨基酸，尤以丙氨酸及甘氨酸最 多，这些氨基酸的结构与组成与人体皮肤的氨基酸结构相似，故与皮肤具有较强的亲 再生怍蚕丝索纤维的纺制及站结构肚能研宄第一牵前言 和性与渗透性，易被表皮细胞吸收，从而加速表皮细胞的新陈代谢，促进细胞生长， 延缓衰老，使肌肤亮泽、柔软、富有弹性。 ( 3 ) 、抑制黑色素形成：丝素肽可抑制酪氨酸酶的活性，从而抑制黑色素的形成， 具有美自功能。 ( 4 ) 、促进皮肤组织再生，防止皮肤皲裂。 ( 5 ) 、抗菌及防晒：在含有丝肽和丝氨基酸的固体培养基表面的抗菌效果，柞蚕 丝素肽要好于家蚕丝素肽，将含量3 以上的柞蚕丝素应用在固体食品表面和化妆品 中，有一定的抗菌作用f 3 引。 ( 6 ) 、护发功能：丝素肽可为毛发提供全面的营养，修复因烫发、染发造成的损 伤，令毛发亮泽、健康。 因此人们利用丝索具有吸湿保湿，吸收紫外线及抗菌性能，开发出各种化妆品， 如护肤霜、护发素、浴液、香波等。经常使用添加丝素的化妆品，不但能抗衰老，嫩 白肌肤，而且还能防止细菌的侵害，抑制过敏性皮炎的发生。 在作为食品添加剂领域内，经研究证明丝素中的各种氨基酸对人体有不同的保健 作用。其中，丙氨酸具有促进酒糟的代谢作用，可保肝护肝；甘氨酸和丝氨酸具有降 低胆固醇，防治高血压等作用，可提高肌肉活力，防止胃酸过多和治疗肺病；酪氨酸 可制造肾上腺激素、甲状腺激素，因此可调节新陈代谢，增进食欲，防治老年性痴呆 症等等阻4 0 1 。 除此之外，随着对组织工程支架材料的开发研究，研究者发现柞蚕丝素的蛋白质 组成中乙氨酸、丙氨酸和丝氨酸为主，与人体的皮肤和头发的角朊很接近，这成为很 多研究者将其应用在人造皮肤的一个重要依据。柞蚕丝素具有良好的生物相容性，无 毒、可粘附到组织细胞上被组织吸收，其含有的r g d 三肽结构是细胞粘附位置，并 且纤维溶解后可加工成泡沫、薄膜、纤维等各种形状。因此可满足不同组织工程基质 的需要。可用于人造皮肤，是治疗皮肤烧伤的优良材料。也可以用来制造人造角膜和 骨，用于肌腱、韧带和血管的修复等。 再生作蚕丝索纤维的纺制及其结构性能研究 第一章前言 1 7 本文的研究目的和研究内容 近年来随着组织工程科学的发展，需要一些能够用于组织修复的生物替代材料， 其中，具有生物活性、良好生物相容性、生物可降解吸收的支架材料的开发尤其受到 国内外的广泛重视。而理想的组织工程支架除应具有化学稳定性、生物相容性等性能 外，还需具有稳定的机械强度和可控制的生物可降解性。植入人体的生物材料必须无 毒、无致敏性，对组织、血液和免疫等系统不产生不良反应。 生物相容性是指材料与人体之间相互作用产生各种复杂的生物、物理及化学反 应。生物可降解是指材料可以被微生物降解，即微生物首先向体外分泌水解酶，与可 生物降解材料表面结合，通过水解切断这些材料表面的高分子链，生成低相对分子质 量的化合物( 有机酸、糖等) ，然后降解的生成物被微生物摄入体内，合成为微生物体 物或转化为微生物活动能量，在耗氧条件下转化为c 0 2 ，完成生物降解的全过程。其 生物降解性与可生物降解材料分子主链的结构及柔顺性，相对分子质量及其分布以及 聚合物形态结构有关。 再生柞蚕丝素材料具有良好的组织相容性，对机体无毒性、无致敏性和刺激作用， 并且柞蚕丝索蛋白含有利于细胞粘附的天然三肽r g d 结构，因此有望将其应用到组 织： 程支架材料中。但是，天然柞蚕丝素纤维很难溶解，这主要是因为其分子量大， 结晶度高，结构紧密。因此希望找到一种溶剂能溶解柞蚕丝素，降低其分子量，但同 时又能保持其一定的机械强力。而酸碱溶解使柞蚕丝素水解，其分子量很小，因此本 文在前人基础上采用中性盐溶液溶解柞蚕丝素，希望在不过多降低分子量的同时能保 持再生纤维一定的机械强力。 目前在柞蚕丝素的应用上，需要将其溶解后重塑造成所需要的形状。如，将柞蚕 丝素再生成膜用于创面覆盖膜，细胞培养基质等。经文献检索，目前对家蚕丝素的再 生纺丝已有报道，人们已经开发出自透析法和透析再溶法两种湿法纺丝方法，而未见 柞蚕丝素的再生纺丝的报道。因此，若能将柞蚕丝素再生纺丝，然后再制造成三维立 体的组织工程支架材料，那将是柞蚕丝素的另一应用领域的开发。 本文在前人研究柞蚕丝素的基础上，采用l i s c n 中性盐溶液溶解天然柞蚕丝素 再生作蚕丝索纤维的纺制及其结构性能研究第一章前言 纤维，将溶液透析成膜后，再用六氟异丙醇( h f k o ) 溶解得到纺丝液，采用湿法纺 丝得到再生柞蚕丝素纤维。并分析了再生柞蚕丝素纤维的微观结构、力学性能和放线 菌蛋白酶降解性能。 ( 一) 、纺丝液的制备。用l i s c n 溶解天然柞蚕丝素纤维，得到柞蚕丝素溶液， 将该溶液透析后采用s d s 凝胶电泳法测量溶液的分子量，采用六氟异丙醇溶解柞蚕 丝素膜，得到纺丝溶液。 ( 二) 、采用湿法纺丝纺制再生柞蚕丝素纤维。 ( 三) 、再生柞蚕丝素纤维微观结构、力学性能和体外放线菌蛋白酶的研究。采 用扫描电子显微镜、红外光谱、x 射线衍射、拉曼光谱、核磁共振谱和差示扫描量热 法来分析研究再生柞蚕丝素纤维的微观结构t 利用单纤维电子强力仪来测定再生柞蚕 丝素纤维的力学性能；在体外模拟人体条件下用放线菌酶降解再生柞蚕丝素纤维，研 究其降解性能。 再生柞蚕丝索纤维的纺制及其结构性能研究第二章实验材料与方法 第二章实验材料与方法 2 1 实验材料 天然柞蚕丝素纤维：再生柞蚕丝素纤维；柞蚕丝素水溶液 2 2 测试方法与原理 本文主要采用s d s 一丙烯酰胺凝胶电泳法测试柞蚕丝素溶液的分子量；采用扫描 电子显微镜( s e m ) 法观察纤维的形态结构：用生物显微镜来计算纤维的直径：用x 射线衍射( x r d ) 、红外光谱( f t i p ) 、拉曼光谱( r a m a ns p e c t r a ) 、核磁共振谱( m 皿1 ) 及 热分析( d s c ) 来分析天然柞蚕丝索纤维和再生柞蚕丝素纤维的聚集态结构；用 y g 0 0 4 a 型单纤维电子强力仪测试纤维的力学性能。 2 2 1 分子量测试 仪器：h o e f e rm i n iv e 平板型电泳仪。 原理：蛋白质分子中同时含有羧基和羟基，羧基可给出h + ，羟基可接受时，所 以蛋白质具有两性性质。带电蛋白质分子在电场作用下将作定向移动，其移动的速度 u 可表示为： u = 墨( 2 - 1 ) o r r a q 为离子所带净电荷，e 为两电极间电位差，d 为两电极距离，r 为球形分子的半 径，n 为溶液的粘度。由该公式可知，在电场、电极间距离和溶液的粘度不变的条件 下，蛋白质在凝胶中的迁移速率受分子所带净电荷量与分子大小的影响。 s d s 能与蛋白质的疏水区相结合并拒绝大部分蛋白质分离成它们的组成亚单位， s d s 的结合还使变性的、随机盘曲的多肽链得到大量负电荷，这种负电荷基本上掩盖 了无s d s 存在时正常带有的任何电荷，使不同大小的分子量的蛋白质都带有基本相 同的电源。因此使得蛋白质分子的电泳速率和分子量的大小有了一定的关系，分子量 大，电泳速率小；分子量小，电泳速率大。这样蛋白质在电泳仪上就会表现出分子量 大的在平板电泳槽的上部，分子量小的在平板电泳槽的下部，经染色和脱色后在凝胶 再生怍蚕丝素纤维的纺制及其结构性能研究第二章实验材料与方法 上会出现蛋白质分子量的分布条带。根据标准蛋白质的分子量分布条带来判断所测蛋 白质的分子量分布【“i 。 2 22 扫描电子显微镜 仪器：日产s 5 7 0 型电子扫描显微镜。 测试条件：恒温2 0 ，湿度6 0 。 切片：取- d , 束丝置于哈氏切片器中，旋转- 4 , 薄层纤维，用火棉胶固定，再用 锋利刀片切取后放在载物台上观察。 s e m 成像原理：由电子枪发射的电子束，经会聚镜、物镜缩小、聚焦，在样品 表面形成一定能量和斑点直径的电子束。在扫描线圈磁场作用下，作用在样品表面上 的电子束按一定时间、空间顺序作光栅或扫描。电子束从样品中激发出的二次电子， 由二次电子收集极收集，由加速极加速至闪烁体转变成光信号，此信号经光导管到达 光电倍增管再转变成电信号，再由视频放大器放大，输送到显像管栅极，调制显像管 亮度，使之在屏幕上呈现亮暗程度不同的反映表面起伏的二次电子像【4 2 】。 2 2 3 纤维直径测试 仪器：德国l e i c ab m e 生物显微镜。 测试方法：取单根纤维放在载玻片上，在1 0 0 倍生物显微镜下用显微拍摄软件拍 摄放大的纤维图像，然后再用分析处理软件标定纤维图像直径的象索值，并将象素换 算成纤维直径。 22 3x 射线衍射( x r d ) 仪器：日本理学2 0 2 7 型x 衍射仪。 测试条件：管电压4 0 k v ，管电流3 0 m a ，扫描速度为2 。r a i n ，使用c u k 。线， 2e = 5 。4 5 。 原理：x 射线结构分析以x 射线在物质中的衍射现象为依据。x 射线是一种电 磁电离射线。其中波长x 02 n m 为软射线。x 射线结构分析使 用的射线波长在o0 5 o2 5 n m 之间。 如果一束x 射线射向晶体，当以某一e 角射至原子层时，总是被强烈的反射， 而有： 。=i-_-卜 再生作蚕丝秉纤维韵纺制及其结构性能研究第二章实验材抖与方法 n 2 2 d s i no ( 2 2 ) 研究纤维材料结构时，将一束窄小的单色平行x 光射在多晶体试样上，便形成 一些同轴的衍射锥面。大部分纤维x 射线图不是形成圆环状，而是成干涉弧，从而 证明晶体具有取向性。如果有若干种不同尺寸的晶体( 不同晶面间距离) ，那么x 射 线图上就有相应数量的干涉弧。干涉弧越宽，说明晶体排列的取向程度越低。x 射线 在无定形区的散射则形成漫射环。 蚕丝纤维是由结晶区与非结晶区两部分组成，当x 射线照射到纤维样品上时， 会产生一系列独立的衍射环或弧，非晶区则产生弥散的连续的晕圈，从而得到x 射 线衍射强度曲线，区线足晶区和非晶区的贡献叠加在一起形成的，其衍射强度分别与 其相应的晶区和非晶区的重量成正比m “4 绷。 2 24 红外光谱分析( f t 瓜) 仪器：美国产m a g n a 型红外光谱仪。 测试条件：采用激光采样，至少扫描3 2 次，测试使用的波长范围为4 0 0 - 4 0 0 0 c m 一， 分辨率4 c m 。 方法：将所测样品剪成粉末状，再与k b r 混合研磨，然后压制成薄圆片，直接 置于光路中进行测试。 原理：通常指的红外光谱是指中红外，即振动光谱，其波长范围是2 5 2 5um 。 当入射光的交变电场的频率相当于分