朱晶心，邵惠丽，胡学超
(东华大学纤维材料改性国家重点实验室，上海201620) 摘 要: 制备出了与蚕腺体内纺丝液浓度和后部丝腺p H值相近的再生丝素蛋白水溶液，利用静电纺丝技术模仿蚕在空气中吐丝的过程得到了再生丝素蛋白纤维。所得纤维的直径在350～4200nm之间，平均直径1700nm。通过正交实验方法考察了各种因素对纤维形态、直径及直径分布的影响，结果表明：所施电压对纤维的形态影响最大；溶液浓度对纤维的直径影响最大；喷头与接受板间距离对纤维直径的分布影响最大。实验得出了一个较好的静电纺丝条件为浓度30%，电压40kV，喷头与接受板间距离20cm。采用拉曼光谱、X衍射、DSC对再生丝素蛋白纤维进行了表征，发现再生丝素蛋白纤维中含有少量的Silk I结晶结构，主要以无定形结构为主，这与天然蚕丝的半结晶结构相比尚有差异。
关键词: 静电纺丝；再生丝素蛋白；仿生
中图分类号: TQ341.5文献标识码:A 文章编号:100129731(2008)0120115204
1 引 言
天然蛋白纤维如蜘蛛丝和家蚕丝与大多数人工合成纤维相比，表现出了优异的力学性能，有些方面，可与人工合成的高性能纤维如Kevlar相匹敌。同时，丝纤维还表现出了良好的生物学特性，可以在组织工程上做缝合线和支架材料[1,2]。天然丝纤维的这些优异性能引起了人们的极大兴趣。近年来，科学家在蜘蛛丝和家蚕丝的人工纺丝方面进行了大量的探索性研究，做出了很多卓有成效的工作[3～6]。
静电纺丝技术是利用静电力纺出直径小到几十纳米到几微米纤维的方法。近年来，这种纺丝新方法引起了人们的关注。1998年美国的Zarkoob等人最早研究了家蚕丝及蜘蛛牵引丝以六氟异丙醇(H FIP)为溶剂的静电纺丝[7]，之后Asakura、K o等相续研究了蚕丝蛋白以(HFA)为溶剂，以98%(质量分数)甲酸为溶剂的静电纺丝[8～10],Kaplan等第一次用蚕丝蛋白同PEO共混的水溶液进行了静电纺丝的尝试，得到了直径在800～1000nm之间的丝纤维[11]。国内在这方面的研究很少，苏州大学张幼珠等人以98% (质量分数)甲酸为溶剂进行了静电纺丝研究[12]，东华大学王洪等用水作溶剂对纯蚕丝蛋白水溶液进行了静电纺丝的试探[13]上述研究为蚕丝蛋白采用静电纺丝法制备超细纤维做出了积极的探索。家蚕吐丝过程中，采用的是以水为介质的高浓度的纺丝液，并通过细小的纺丝管进入空气后固化成丝[14]。本文在低温无剪切的温和条件下制备出了与蚕腺体内纺丝液浓度和后部丝腺p H值相近的再生丝素蛋白水溶液，利用静电纺丝技术模仿蚕在空气中吐丝的过程，以期纺制出具有更好生物相容性的超细蚕丝蛋白纤维，并为人工模拟生物纺丝积累经验。
2 实 验
2.1 再生丝素蛋白水溶液的制备
将蚕茧去蛹剥为数层，置于0.5%碳酸钠水溶液中在100℃脱胶30min，如此重复2次。然后用去离子水充分冲洗后风干待用。
将脱胶丝在40℃下溶解于9.0mol/L的溴化锂水溶液中，其比值是1∶10(W/V)，加去离子水稀释，离心分离过滤后注入透析袋中，用去离子水连续透析3d。采用SDS2PA GE法测定，再生丝素蛋白的分子量在80kDa左右。
蚕在吐丝时的溶液浓度高达30%，后部丝腺的p H值为6.9[14]。本研究模仿其条件，采用自制的浓缩装置，把溶液浓缩在30%以上，使用0.1mol/L的柠檬酸2氢氧化钠2盐酸缓冲体系将丝素溶液的p H值调节到6.9，再继续浓缩到所需浓度。
2.2 再生丝素蛋白水溶液的静电纺丝
试验用自制的静电纺丝装置来进行。丝素蛋白水溶液在电场作用下克服表面张力，形成一股带电的喷射流，以无序状排列于接地的收集装置上形成纤维。纺丝时喷丝头内径0.6mm，注射流量为2ml/h，喷头与接收板距离10～20cm，静电电压20～40kV。
2.3 丝纤维的表征
2.3.1 扫描电镜(SEM)测试
利用日本电子株式会社生产的J SM25600L V扫描电子显微镜观察所得再生丝素纤维的形态，所有样品都经表面喷金处理，在10kV下电压扫描，放大倍数为1000倍。
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朱晶心等：仿生制备的再生丝素蛋白水溶液的静电纺丝(Ⅰ)———工艺参数及结构特性
3基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2002AA336060)
收到初稿日期:2007208215收到修改稿日期:2007210207通讯作者：邵惠丽
作者简介：朱晶心 (1963-)，女，湖北武汉人，在职博士，师从胡学超教授，从事仿生材料的研究工作。
2.3.2 拉曼光谱测试
采用法国Dilor公司的Labram00型显微激光拉曼光谱仪，测试条件为：氦2氖激光光源(激发波长为632.
8nm)，激光功率为6mW，分辨率为2cm-1。
2.3.3 X衍射测试
采用日本理学公司的D/MAX2B型X衍射仪，测试条件:Cu Kα靶，电压40kV,300mA，扫描速度2°/ min，扫描范围5～50°。
2.3.4 调制差式扫描量热测试
采用美国TA公司的MDSC2910。升温速率为3℃/min，氮气流速为40ml/min。
3 结果和讨论
3.1 电纺溶液的制备
再生丝素蛋白水溶液对浓度、温度、剪切力等十分敏感，极易凝胶。所以，在高浓度再生丝素蛋白水溶液的制备过程中，要尽量避免剪切力的存在，并在低温下浓缩和保存。最后制得的纺丝液应是没有气泡的均匀透明的溶液。
3.2 电纺工艺参数对纤维形态、直径和分布的影响
(正交试验)
在静电纺丝工艺中，纤维的形态及直径受溶液浓度、电压、喷头与接收板距离等多种因素的影响[9]。为了考察这些因素的影响及获得较佳的静电纺丝工艺参数，本文采用L9(34)正交试验表来设计试验[15]，实验的9种静电纺丝条件如表1所示，所得到的1～9号再生丝纤维样品的平均直径及标准差也同时列于表1中。
表1 L9(34)正交试验表
Table1L9(34)ort hogonal design
A B C
水平因素
实验 浓度
(%)
电压
硝化纤维素膜
(kV)
距离
(cm)
平均直径
(nm)
标准差
13010101749813
23030151507609
33040201328357
43320152775646
53330201742478
63820201602418
球墨铸铁管qiumogg
73830202113538
83830102439538水性聚氨酯胶粘剂
93840152171495
3.2.1 再生丝素蛋白静电纺纤维的直径测量及分布
图
将所得样品的SEM照片，均匀的划分为10个区，每个区测量10根纤维的直径，共测出100根纤维的直径。绘出1～9号样品的直径直方分布图，并计算出平均直径和标准差。将1～9号样品的电镜照片以及直径的直方分布图，平均直径，标准差绘制在图1中。3.2.2 正交实验的数据分析结果
利用正交试验数据处理方法[15]，分析平均直径和标准差数据，由级差从大到小顺序排出因素的主次。对于平均直径其因素的主次为浓度、电压、距离。即浓度对平均直径影响最大；对于标准差其因素的主次为距离、电压、浓度。即距离对标准差影响最大。从样品的SEM照片可看出电压对纤维的形态影响最大，随着电压的增大，纤维从扁带形过渡到圆柱形。从中还得出了一个较好的静电纺丝条件为浓度30%，电压40kV，距离20cm。
3.3 再生丝素蛋白静电纺纤维结构的表征
为了了解再生丝素蛋白水溶液静电纺纤维的结构，本文对再生丝素蛋白水溶液纺出的3号纤维样品进行了分析表征，并与脱胶丝进行了对比。
3.3.1 拉曼光谱分析
拉曼光谱在研究蛋白质的二级结构方面是一种常用的分析手段[16,17]。拉曼光谱测试如图2。从图2可以看出，脱胶丝在1666、1230、1084cm-1处均出现了明显的β2折叠特征峰，而3号样品仅在1666cm-1处出现了一个较宽的β2折叠特征峰，主要在1254、944及1105cm-1处分别出现了无规卷曲及silkⅠ结构的特征峰。
3.3.2 X衍射图谱分析
丝素蛋白质分子的聚集态结构包括SilkⅠ和Silk Ⅱ两种。图3为大角X衍射(WAXD)测试图。从图3可看出脱胶丝在9.1、20.6、24.3°处出现了silkⅡ结构的3个特征衍射峰；而静电纺的丝仅在27.6°处出现了较弱的SilkⅠ结构的特征峰[18,19]。这说明在本文实验条件下所制得的静电纺丝纤维中存在很少的Silk Ⅰ结晶结构，主要以无定形结构为主，这与天然蚕丝的半结晶silkⅡ结构相比尚有较大差异。
3.3.3 DSC图谱分析
DSC测试所得实验结果如图4所示。在75～110℃出现的峰为两纤维的失水峰，在178℃有个转变峰，为再生丝素蛋白水溶液静电纺纤维的Tg[20]，脱胶丝在297℃出现一热分解峰[21]，再生丝素溶液静电纺纤维的热分解峰则低于此值为267℃。图4中电纺丝在258～264℃的吸放热峰，可能是由于无规卷曲或α2螺旋结构向β2折叠结构转变所引起的[22]。由此我们可以推测，本文静电纺条件下所制得的丝素蛋白纤维的结晶结构尚不完善，结晶程度远低于天然蚕丝。从热分析结果推出的上述推论与前述结晶结构的分析结果是相符的。
611功 能 材 料 2008年第1期(39)卷
图1 1～9号样品的电镜照片、直径的直方分布图、平均直径及标准差
Fig 1SEM p hotograp h ,diameter dist ribution grap h ,average diameter and Std.Dev.of samples from 1to 9
7
11朱晶心等：仿生制备的再生丝素蛋白水溶液的静电纺丝(Ⅰ)———工艺参数及结构特性
图2 拉曼光谱图
Fig 2Raman spect ra of degummed silk
fiber
图3 大角X 衍射图
Fig 3WAXD
spect ra of degummed
图4 DSC 图
Fig 4DSC curves of degummed
4 结 论
(1) 通过模仿蚕腺体内的条件，制备出了调节过p H 的高浓度再生丝素蛋白水溶液。用静电纺丝法模
仿蚕的干法纺丝过程得到了再生丝素蛋白纤维，所得纤维的直径远小于天然蚕丝，其平均直径为1700nm 。
(2) 利用正交实验方法考察了静电纺丝工艺参数对纤维形态、直径和分布的影响，得出如下结果：电压对纤维的形态影响最大，升高电压纤维逐渐由扁带形过渡到圆柱形；溶液浓度对纤维直径的影响最大；喷头与接受板间距离对纤维直径的分布(标准差)影响最大；通过正交实验可得出一个较好的再生丝素蛋白水溶液p H 值在6.9时的静电纺丝条件为浓度30%，电压40kV ，喷头与接受板间距离20cm 。
(3) 对再生丝素蛋白水溶液静电纺出的纤维进行了表征，结果表明该纤维中包含少量的Silk Ⅰ结晶结构，主要以无定形结构为主，这与天然蚕丝的半结晶结构相比尚有较大差异。
参考文献:
[1] Vollrath F.[J ].Reviews in Molecular Biotechnology ,
2000,74:67283.
[2] Altman G H ,Diaz F ,et al.[J ].Biomaterials ,2003,24:
4012416.
[3] Shao Z Z ,Vollrath F.[J ].Nature ,2002,418:741.[4] Jin H J ,Kaplan L.[J ].Nature ,2003,424:105721061.[5] Seidel A ,Liivak O ,J elinski L W.[J ].Macromolecules ,
1998,31:673326736.
[6] Yao J ,Masuda H ,Zhao C H ,et al.[J ].Macromolecules ,
眼模2002,35:629.
[7] Zarkoob S ,Reneker D H ,Hudson S D ,et al.[J ].Poly 2
mer Preprints ,199839(2):2442245.[8] Ohgo K ,Zhao C H ,K obayashi M ,Asakura T.[J ].Pol 2
ymer ,2003,44:8412846.
[9] Sukigara S ,G andhi M ,Ayutsede J ,et al.[J ].Polymer ,
2003,44:572125727.
[10] Sukigara S ,G andhi M ,Ayutsede J ,et al.[J ].Poly 2
mer ,2004,45:370123708.
[11] Jin H J ,Fridrikh S V ,Rutledge G C ,et al.[J ].Bio 2
maromolecules ,2002,3:123321239.[12] 尹桂波，张幼珠.[J ].丝绸,2005,2:16218.
[13] 王 洪，邵惠丽，胡学超.[J ].功能材料,2005,36
(10):158421589.[14] Magoshi J ,Magoshi Y ,Becker M A ,et al.Polymeric
Materials Encyclopedia [M ].Florid :CRC Press ,1996.6672679.
[15] 刘达民，程 岩.应用统计[M ].北京：化学工业出版
社,2004.1532160.
[16] Monti P ,Freddi G ,Bertoluzza A ,et al.[J ].Journal of
Raman Spectroscopy ,1998,29:2972304.
[17] Rousseau M E ,Lefevre T ,Beaulieu L ,et al.[J ].Bio 2
macromolecules ,2004,5:224722257.[18] Um I C ,Kweon H Y ,Park Y H ,et al.[J ].Int J Bio
Macromol ,2001,29:91297.
[19] Ha S W ,Park Y H ,Hudson S M.[J ].Biomacromole 2
cules ,2003,4:4882496.[20] Magoshi J ,Nakamura S.[J ].Journal of Applied Poly 2
mer Science ,1975,19:101321015.
[21] Motta A ,Fambri L ,Migliaresi C.[J ].Macromol
Chem Phys ,2002,203:165821665.
[22] Tsukada M ,Freddi G ,Kasai N.[J ].Journal of Poly 2
mer Science :Part B :Polymer Physics ,1994,32:117521182.
(下转第122页)
后期的物相形成有重要作用。前驱物体的p H值增加颜变深，溶胶形成不同的络合物；且p H值由3.4调制中性，自燃燃点温度滞后12℃，燃烧充分。氨水做为调节剂明显比乙二胺反应强烈，因其能提供凝胶更多的N离子，形成更多NO3-做为氧化剂。而乙二胺做调节剂可以与硝酸根形成二硝酸化乙二胺，导致氧化剂不足，反应相对缓慢，其自燃粉体中有α2Fe2O3使得M s较小，且颗粒较大导致其H较小。因此得出氨水调节的凝胶样品优与乙二胺样品。
参考文献:
压铆螺栓[1] Kronmuller H,Hertel R.[J].Journal of Magnetism and
Magnetic Materials,2000,2152216:11.
[2] K im C S,Y i Y S,Park K T.[J].Journal of Applied Phys2
ics,1999,85:5223.
[3] Vermaa A,Alama M I.[J].Journal of Magnetism and
Magnetic Materials,2006,300:500.
[4] Cannas C,Musinu A,Piccaluga G.[J].The Journal of
Chemical Physics,2006,125:164714.
[5] Amarendra K,Singh.[J].Journal of Magnetism and Mag2
netic Materials,2004,281:276.
[6] Yue Zhenxing,Zhou Ji,Li Longtu.[J].Journal of Magnet2
ism and Magnetic Materials,2000,208:55.
[7] Yu H F,Yang S W.[J].Journal of Alloys and Com2
pounds,2005,394:286.
[8] Wu K H,Chang Y C,Wang G P.[J].Journal of Magnet2
ism and Magnetic Materials,2004,269:150.
[9] Shaheen W M,Hong K S.[J].Thermochim Acta,2002,
381:153.
[10] Yu Liming,Cao Shixun.[J].Journal of Magnetism and
Magnetic Materials,2006,301:100.
[11] Liu Xianming,Yang Guo,Fu Shaoyun.[J].Materials
Science and Engineering:C,2007,27:750.
[12] Yue Z,Guo W,Zhou J,et al.[J].Journal of Magnetism
筛板塔and Magnetic Materials,2004,270:216.
[13] Rath C,Anand S,Das R P.[J].Journal of Applied Phys2
ics,2002,91:2211.
[14] Bottaa P M,Bercoffb P G,Agliettic E F.[J].Ceramics
International,2006,32:857.
The research on the mechanism of form ation and property of
MnZ n ferrite nanocrystallite in different condition
WAN G Jian,YU Li2ming,YUAN Shu2juan,XU Kun,ZHAN G Jian2hua,
CAO Shi2xun,ZHAN G Jin2cang
(Depart ment of Physics,Shanghai University,Shanghai200444,China)
Abstract:MnZn ferrites(MZF)nanocrystal were synt hesized by sol2gel and auto2combustion met hod.The for2 mation mechanisms and t he product s of flame2combusting dried cit rate p recursors were investigated via T G2 D TA,XRD,and VSM techniques.The result s show t hat t he ignitio n point of auto2combustion vary wit h t he val2 ue of p H about increasing12℃for sufficiency combustion.The at mo sp heres play little part in heat decomposition of t he gel before280℃,but important role for t he formation of p hase in t he anap hase.The combustion p rocess and magnetic property are greatly influenced by t he species of p H adjusting agent;The system adjusted by et hyl2 enediamine reacted slowly,and we can cont rol t he MnZn ferrites(MZF)nanocrystal sizes t hrough t h
e variation of p H adjusting agent.
K ey w ords:thermal analysis;MnZ n ferrite;auto2combustion;sol2gel;atmospheres
(上接第118页)
E lectrospinning of biomimetic regenerated silk f ibroin aqueous solutions
———part1:processing parameters and structure properties
ZHU Jing2xin,S HAO Hui2li,HU Xue2chao
(State Key Laboratory for modificatio n of Chemical Fibers and Polymer Materials,
Donghua U niversity,Shanghai,201620,China)
Abstract:Regenerated silk fibroin aqueous solutions t hat concent ration was similar in t he silkworm’s spinning dope and p H value was t he same p H value in t he po sterior divisio n of t he silkworm’s gland were prepared by a mild met hod.The i.silk fibroin fibers were obtained by elect rospinning wit h diameter range f rom35024200nm and an average diameter1700n
m.The effect of electrospinning parameters on t he fiber mor2 p hology and fiber diameter of regenerated silk were investigated by ort hogonal design.The result showed t hat voltage,t he concent ration of RSF solution and t he distance between tip and collection plate were t he most domi2 nant parameter to fiber morp hology,diameter and dist ribution,respectively.A optimal electro spinning condi2 tion was o btained for t he concent ration30%,voltage40kV,distance20cm.These regeneration silk fibroin fi2 bers were examined by Raman spect ro scopy(RS),X2ray diff raction(XRD)and differential scanning calorime2 t ry(DSC).It is fo und t hat t he regeneration elect ro sp un silk fibroin fibers involves a few silkⅠcrystalline st ruct ure,it was mainly an amorp hous st ruct ure,t his still have a big difference wit h t he semicrystalline st ruc2 t ure of nat i.silk.
K ey w ords:electrospinning;regenerated silk f ibroin;biomimetic
