劉 浩， 路明磊， 黃曉衛(wèi),2， 王 娜,2， 王雪芳,2， 寧 新， 明津法,

(1. 青島大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 山東 青島 266071； 2. 青島大學(xué) 非織造材料與產(chǎn)業(yè)用紡織品創(chuàng)新研究院，山東 青島 266071； 3. 山東省特型非織造材料工程研究中心， 山東 青島 266071)

水凝膠是一種集吸水、保水、緩釋為一體的功能高分子材料，本質(zhì)上類似于細(xì)胞外基質(zhì)[1]，信號(hào)可以在其中傳遞、響應(yīng)。目前，天然聚合物以其獨(dú)特的生物特性已廣泛應(yīng)用于水凝膠的制備，其中絲素蛋白(SF)作為一種典型材料活躍于組織工程[2]、生物礦化[3-4]、智能[5-6]等領(lǐng)域。

SF是一種天然高分子材料，具有良好的生物相容性和可降解性[7-8]，在一定程度上表現(xiàn)為動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性和熱力學(xué)不穩(wěn)定性[9]。在水溶液中，SF分子在親疏水作用下往往自組裝成納米微球，從動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看，納米微球在無(wú)時(shí)無(wú)刻做著劇烈的布朗運(yùn)動(dòng)，由于中性條件下帶有負(fù)電的SF分子微球間存在著靜電斥力，阻礙了微球的進(jìn)一步凝聚，在一定時(shí)間內(nèi)溶液處于穩(wěn)定狀態(tài)[10]；但長(zhǎng)時(shí)間的靜置或在溫度、pH值、極性溶液等外界因素的干擾下[11]，這種熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)最終會(huì)因疏水、氫鍵、靜電等非共價(jià)鍵作用而被破壞，實(shí)現(xiàn)物理交聯(lián)，導(dǎo)致微球的凝聚和析出，最終形成一種相對(duì)穩(wěn)定的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[12-13]，這種凝膠過(guò)程往往伴隨著SF分子由無(wú)規(guī)卷曲向β-折疊構(gòu)象的轉(zhuǎn)變[14]。在酸性條件下，SF分子間的靜電斥力減弱，無(wú)電荷羧基的疏水性增強(qiáng)，引發(fā)了較強(qiáng)的鏈間集聚[12,15]。針對(duì)SF的這一特點(diǎn)，逐漸延伸出了多種凝膠工藝，如常規(guī)酸滴定法[16]、揮發(fā)性電解質(zhì)誘導(dǎo)法(如高壓二氧化碳誘導(dǎo)[17])、電場(chǎng)誘導(dǎo)法[18]等。其中，揮發(fā)性電解質(zhì)誘導(dǎo)法是一種比較新的凝膠方法，較常規(guī)酸滴定法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，避免過(guò)多酸的殘留對(duì)SF水凝膠結(jié)構(gòu)造成二次破壞；同時(shí)，在密閉容器中酸的揮發(fā)會(huì)引起壓強(qiáng)的變化，有利于SF溶液緩慢而均勻的酸化，促使SF溶液凝膠自上而下漸進(jìn)式進(jìn)行，使結(jié)構(gòu)具有一定的取向性。

因材料自身因素影響，常見(jiàn)的SF水凝膠往往表現(xiàn)出力學(xué)性能差，凝膠成形困難等問(wèn)題，且很大程度上仍然依賴于添加合適的材料來(lái)滿足設(shè)計(jì)需要[19]，隨著合成高分子聚合物的廣泛應(yīng)用，為水凝膠性能的可控性和可復(fù)制性提供了支持[20-21]。如通過(guò)添加表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDS)獲得的SF水凝膠具有良好的力學(xué)性能，其壓縮模量最高可達(dá)到3.0 MPa[22]；此外，將SF與聚丙烯酰胺組合，其壓縮強(qiáng)度可達(dá)到122 MPa(應(yīng)變?yōu)?2%時(shí))[23]。然而過(guò)多合成材料的引入不可避免會(huì)對(duì)SF的結(jié)構(gòu)與生物性能產(chǎn)生一系列影響，限制其在生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用，因此，引入具有相容性、無(wú)毒性的材料和對(duì)SF進(jìn)行物理加工是當(dāng)前提高絲素蛋白水凝膠性能的常見(jiàn)方法[24]。為改善SF水凝膠的力學(xué)性能和提高凝膠速率，本文提出了一種乙酸-乙醇體系共同促進(jìn)SF凝膠的方法制備結(jié)構(gòu)均勻、形貌可控的纖維結(jié)構(gòu)SF水凝膠，探索了水凝膠內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)的成形條件以及不同形貌下水凝膠的結(jié)構(gòu)與性能差異，并測(cè)試分析了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)乙醇輔助誘導(dǎo)下獲得SF水凝膠的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)變化，對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行表征，以期為細(xì)胞或晶體材料提供一個(gè)穩(wěn)定的生長(zhǎng)空間，拓寬其在醫(yī)學(xué)、電子等領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

材料：桑蠶絲，產(chǎn)自山東??；無(wú)水碳酸鈉、無(wú)水氯化鈣、無(wú)水乙醇、乙酸(冰醋酸)、己烷，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；透析袋，相對(duì)分子質(zhì)量為3 500，上海雷布斯生物科技有限公司；去離子水，實(shí)驗(yàn)室自制。

儀器：S4800掃描電子顯微鏡(SEM)，日本日立公司；Nicolet5700 傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)， 美國(guó)賽默飛世爾科技公司；Ultima IV 系列X射線衍射儀(XRD)，日本理學(xué)株式會(huì)社；in Via 共聚焦顯微鏡拉曼光譜儀，英國(guó)雷尼紹公司；TGA/DSC3+LF同步熱分析儀，瑞士梅特勒-托利多公司；Instron 3382雙立柱落地式電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)英斯特朗公司；HJ-6多頭磁力攪拌器、HD101a-3電熱鼓風(fēng)干燥箱，青島創(chuàng)合盛科教儀器設(shè)備有限公司；FD-1A-50冷凍干燥機(jī)，北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；VPK-1-10T優(yōu)普系列小型超純水機(jī)，四川優(yōu)普超純科技有限公司。

1.2 可控形貌SF水凝膠的制備

根據(jù)文獻(xiàn)[25-26]中的方法對(duì)蠶絲進(jìn)行脫膠處理。首先，將蠶絲按照1∶50的浴比放入0.05%碳酸鈉溶液中煮沸處理30 min，取出后用蒸餾水反復(fù)清洗，重復(fù)上述操作3次后烘干。然后，將已脫膠的蠶絲(8%)置于氯化鈣-乙醇-水(量比為1∶2∶8)三元溶液中，在60 ℃下攪拌至完全溶解[27]。冷卻至室溫后，將上述液體轉(zhuǎn)移到相對(duì)分子質(zhì)量為3 500的透析袋中，在流動(dòng)的去離子水中透析72 h，經(jīng)過(guò)脫脂棉過(guò)濾后即得到3.0%的SF溶液。

取2 g乙酸于120 mm玻璃干燥器底部，靜置一段時(shí)間至乙酸氣體均勻分布，再另取10 g上述SF溶液倒入直徑為35 mm的培養(yǎng)皿中，快速放于干燥器的隔板上，靜置12～14 h即得到SF水凝膠。乙醇能夠剝奪與SF相結(jié)合的水分子，促使SF分子鏈的重新組合，形成密集的氫鍵作用[28-30]，縮短凝膠時(shí)間。故本文向SF中緩慢加入無(wú)水乙醇，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.0%、2.5%、5.0%、10.0%、20.0%，混合均勻后置于乙酸環(huán)境中，1 h左右即可獲得具有不同形貌的SF水凝膠。如果乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高，凍干后的樣品將無(wú)法成形，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 絲素蛋白水凝膠實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Specification parameters of silk fibroin hydrogels

1.3 性能測(cè)試與表征

1.3.1 水凝膠形貌觀察及直徑測(cè)試

將凍干后的SF水凝膠切片后用導(dǎo)電膠貼在工作臺(tái)上，噴金處理60 s。采用背散射模式、標(biāo)準(zhǔn)束流，通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察樣品形貌，加速電壓為10 kV。然后將樣品的掃描電鏡照片導(dǎo)入Nano Measurer 1.2軟件中，隨機(jī)選取50根纖維進(jìn)行直徑測(cè)量，計(jì)算水凝膠內(nèi)部纖維直徑的平均值及偏差。

1.3.2 水凝膠聚集態(tài)結(jié)構(gòu)測(cè)試

取適量?jī)龈珊蟮乃z樣品于研缽中，加入溴化鉀研磨均勻，壓片并在傅里葉紅外光譜儀中進(jìn)行測(cè)試。儀器的分辨率為4 cm-1，掃描32次，檢測(cè)范圍為4 000～400 cm-1。譜圖的采集和分析均使用Thermo Fisher公司的OMNIC 8.0軟件，并將獲得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Origin中進(jìn)行繪制。此外，選取1 700～1 600 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)的紅外光譜圖導(dǎo)入PeakFit v4.12軟件，采用傅里葉自去卷積法對(duì)酰胺I帶進(jìn)行分峰擬合，得到各二級(jí)結(jié)構(gòu)子峰的分布和強(qiáng)度，并通過(guò)計(jì)算各子峰的積分面積即可得到SF水凝膠內(nèi)部各聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的相對(duì)百分比含量，從而分析乙酸-乙醇體系對(duì)SF聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的影響[31-33]。設(shè)置的擬合峰類型為高斯/洛倫茲型，帶寬為50 cm-1，增強(qiáng)因子為3.0。

利用X射線衍射儀對(duì)水凝膠內(nèi)部的結(jié)晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，衍射角范圍為5°～45°，掃描速度為2 (°)/min，管電流為40 mA，管電壓為40 kV，CuKα靶(波長(zhǎng)λ=0.154 18 nm)。此外，通過(guò)拉曼光譜儀在2 000～500 cm-1范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，進(jìn)一步驗(yàn)證水凝膠內(nèi)部聚集態(tài)結(jié)構(gòu)變化情況，測(cè)試激發(fā)波長(zhǎng)為632.8 nm。

1.3.3 水凝膠熱穩(wěn)定性能測(cè)試

取3～4 mg SF水凝膠樣品于40 mL鋁干鍋中，通過(guò)同步熱分析儀獲得不同樣品的熱穩(wěn)定性能。溫度范圍為25～400 ℃，升溫速度為10 ℃/min。樣品始終處于氮?dú)夥諊?，流速?0 mL/min。

1.3.4 水凝膠孔隙率與吸水率測(cè)試

將不同乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SF水凝膠制成直徑為14 mm、高為10 mm的圓柱體，凍干后記錄其干態(tài)質(zhì)量為m0(mg)；然后將樣品浸泡在去離子水中，水浴加熱使溫度保持在37 ℃，2 h后取出樣品并用濾紙吸去樣品表面殘留的水珠，記錄此時(shí)樣品的濕態(tài)質(zhì)量m1(mg)。每種樣品重復(fù)5次測(cè)試取平均值。吸水率(Rmc)根據(jù)下式[34]進(jìn)行計(jì)算：

SF水凝膠的孔隙率采用液體置換法進(jìn)行計(jì)算[35]。室溫下將上述樣品浸泡在裝有已知體積的己烷(V0(mL))的量筒中，記錄當(dāng)前樣品和液體的總體積為V1(mL)；5 min后取出樣品，量筒中剩余己烷體積為V2(mL)，則樣品的孔隙率(E)通過(guò)下式計(jì)算得到：

1.3.5 水凝膠壓縮性能測(cè)試

使用24孔板將SF水凝膠制成直徑為14 mm、高為15 mm的圓柱體。在標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下通過(guò)電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)分別檢測(cè)SF水凝膠樣品在干態(tài)和濕態(tài)下的壓縮性能以及韌性。在干態(tài)測(cè)試中，儀器的壓縮速率為10 mm/min，將凍干的水凝膠樣品壓縮至自身形變的60%[36]；在濕態(tài)測(cè)試中，先將樣品于磷酸鹽緩沖液(PBS)中浸潤(rùn)，取出后在60%的壓縮應(yīng)變下進(jìn)行5次循環(huán)壓縮-釋放，得到循環(huán)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線。每種樣品重復(fù)5組測(cè)試，取平均值分析水凝膠樣品在循環(huán)過(guò)程中的應(yīng)力變化情況和回復(fù)性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 SF水凝膠的形貌分析

乙酸氣體在密閉容器中的揮發(fā)緩慢改變著溶液pH值，絲素蛋白溶液受pH值梯度的影響自上而下緩慢凝膠，使結(jié)構(gòu)取向延伸；同時(shí)乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的調(diào)節(jié)輔助誘導(dǎo)SF構(gòu)象向β-折疊構(gòu)象轉(zhuǎn)變，加快凝膠速率。圖1為在乙酸氛圍下，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)乙醇誘導(dǎo)SF水凝膠樣品的掃描電鏡照片?？梢钥闯?，隨著乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，水凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，纖維化越趨明顯，但如果乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)10.0%達(dá)到20.0%時(shí)，水凝膠凍干后將無(wú)法保持穩(wěn)定的立體骨架結(jié)構(gòu)。當(dāng)SF溶液中不含乙醇(SF-0)時(shí)，水凝膠內(nèi)部均勻分布著尺寸在幾十到幾百微米的孔洞，孔壁較為光滑，厚度為(4.36±2.61)μm。隨著乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，水凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)向纖維化轉(zhuǎn)變，先是孔壁變得粗糙，由纖維堆砌而成，隨后纖維逐漸分離，交織成三維立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5.0%(SF-5)時(shí)，纖維直徑為(1.09±0.5) μm，遠(yuǎn)小于Floren等[17]通過(guò)高壓二氧化碳作為揮發(fā)性酸制備的纖維結(jié)構(gòu)水凝膠(當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.0%～4.0%時(shí)，直徑為(2.22±0.5)～(5.62±1.4) μm， 壓縮模量為(39.70±3.24)～(63.98±2.97) kPa)。 當(dāng)乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到10.0%時(shí)，纖維直徑增大到(1.53±0.73) μm，纖維上串聯(lián)的微球也愈發(fā)明顯。這種纖維結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積，為細(xì)胞生長(zhǎng)或生物礦化提供了良好的粘附、生長(zhǎng)空間，同時(shí)也影響著水凝膠的內(nèi)在性能。

圖1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)乙醇誘導(dǎo)絲素蛋白水凝膠的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM images of SF hydrogels with different mass ratios of alcohol

2.2 SF水凝膠的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)分析

分別采用紅外光譜、拉曼、X射線衍射法分析SF水凝膠的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)變化。圖2示出不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)乙醇誘導(dǎo)獲得SF水凝膠的拉曼光譜圖。拉曼曲線顯示所有樣品均在1 669、1 230、1 085 cm-1處出現(xiàn)明顯的特征峰，代表著β-折疊構(gòu)象，其余聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的特征峰均不明顯。

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)乙醇誘導(dǎo)SF水凝膠的拉曼光譜圖Fig.2 Raman pattern of SF hydrogels with different mass fraction of alcohol

圖3(a)示出不同乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)下水凝膠樣品的紅外光譜圖?？梢钥闯?，當(dāng)乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時(shí)，SF水凝膠的紅外特征峰主要集中在1 653 cm-1(無(wú)規(guī)卷曲)、1 625 cm-1(β-折疊)、1 525 cm-1(β-折疊)、1 234 cm-1(無(wú)規(guī)卷曲)處。結(jié)合圖3(c)SF水凝膠各二級(jí)結(jié)構(gòu)合量變化發(fā)現(xiàn)，在不含乙醇條件下制備的絲素蛋白水凝膠內(nèi)部以β-折疊構(gòu)象為主，但無(wú)規(guī)卷曲構(gòu)象所占比例仍然比較大。隨著乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，1 653 cm-1處特征峰的中心逐漸向低波數(shù)位移；而1 625 cm-1(低波數(shù)β-折疊)處特征峰的強(qiáng)度逐漸變強(qiáng)，整體峰寬度逐漸變窄，相對(duì)集中在1 640～1 620 cm-1之間。此外，1 701 cm-1處峰強(qiáng)輕微下降并向低波數(shù)轉(zhuǎn)移，雖然沒(méi)有明顯偏移至1 698 cm-1(高波數(shù)β-折疊)，但峰型的改變也代表著SF聚集態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生了轉(zhuǎn)變。

圖3(b)示出乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%的水凝膠分峰圖譜，擬合曲線的相似度達(dá)到0.999以上。將酰胺I帶(1 700～1 600 cm-1)細(xì)分為10個(gè)子峰，通過(guò)各子峰的面積分析出聚集態(tài)結(jié)構(gòu)在各階段所占比例[37]，如圖3(c)所示?？芍?，隨著乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，β-折疊構(gòu)象含量顯著提高，從最初的45.1%提高至50.5%左右，同時(shí)無(wú)規(guī)卷曲構(gòu)象從22.3%下降到12.8%附近；當(dāng)乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)2.5%時(shí)，2種構(gòu)象含量變化均趨于平緩；此外α-螺旋構(gòu)象的含量也有了小幅度提高。上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，雖然乙酸也能促進(jìn)絲素蛋白分子鏈轉(zhuǎn)變成β-折疊結(jié)構(gòu)，但含量較低；相較來(lái)說(shuō)，乙醇能夠快速促使水凝膠內(nèi)部分子排列更加緊密，構(gòu)象更加規(guī)整，β-折疊構(gòu)象的含量也大幅度提高[28]。

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)乙醇誘導(dǎo)SF水凝膠的二級(jí)結(jié)構(gòu)Fig.3 Secondary structure of SF hydrogels with different mass fraction of alcohol.(a)FT-IR spectra of SF hydrogels；(b)FT-IR peak fitting curve of SF-5 hydrogel in amide Ⅰ region；(c)Change of secondary structure of SF hydrogel in amide Ⅰ region

圖4示出不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)乙醇誘導(dǎo)下獲得SF水凝膠的XRD譜圖?？梢钥闯?，所有樣品均在20.8°附近有1個(gè)顯著的特征衍射峰，為典型的silk II結(jié)構(gòu)。此外，在9.1°和28.2°處均出現(xiàn)有特征衍射峰，代表著silk II結(jié)構(gòu)，20.1°和24.5°處為silk I結(jié)構(gòu)特征峰[1]。上述結(jié)果可知，隨著乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，20.1°處的特征峰逐漸消失，這與紅外光譜、Raman結(jié)果較為吻合。綜上，經(jīng)乙醇處理的水凝膠具有更為顯著的β-折疊構(gòu)象特征，且結(jié)晶度顯著高于僅受乙酸誘導(dǎo)的水凝膠，這使分子具有更高的取向，分子間作用力顯著增強(qiáng)，對(duì)水凝膠的熱穩(wěn)定性與力學(xué)性能均會(huì)產(chǎn)生一定影響。

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)乙醇誘導(dǎo)絲素蛋白水凝膠的X射線衍射光譜圖Fig.4 XRD pattern of SF hydrogels with different mass fraction of alcohol

2.3 SF水凝膠的熱穩(wěn)定性能分析

圖5(a)示出不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)乙醇誘導(dǎo)SF水凝膠的DSC曲線。

圖5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)乙醇誘導(dǎo)絲素蛋白水凝膠的DSC和TG曲線Fig.5 DSC (a) and TG (b) curves of SF hydrogels prepared by different mass ratios of alcohol

結(jié)果表明，所有樣品均有2處明顯吸熱峰：一處在60～130 ℃之間，代表水凝膠內(nèi)部殘留的自由水和結(jié)合水的蒸發(fā)；另一處吸熱峰在294 ℃附近，為絲素蛋白的分解峰，此時(shí)分解速率達(dá)到最大，絲素蛋白間側(cè)鏈和主鏈遭到破壞。有報(bào)道[28,38]顯示，由于絲素蛋白內(nèi)的部分無(wú)規(guī)卷曲和α-螺旋結(jié)構(gòu)會(huì)隨溫度升高而轉(zhuǎn)變成更加穩(wěn)定的β-折疊結(jié)構(gòu)，從而釋放熱量。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在絲素蛋白分解前沒(méi)有出現(xiàn)明顯的放熱峰，說(shuō)明此時(shí)水凝膠樣品內(nèi)部以β-折疊結(jié)構(gòu)為主。圖5(b)示出不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)乙醇誘導(dǎo)SF水凝膠的TGA曲線?？梢钥闯?，所有樣品也均存在2個(gè)質(zhì)量損失階段：第1階段為40～170 ℃，在不含乙醇條件下SF水溶液形成的水凝膠內(nèi)部的結(jié)合水含量最高，質(zhì)量損失率約為11.41%；第2階段為220 ℃以后，當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃時(shí)，SF-0的殘?zhí)柯蕿?6.45%，隨著乙醇的增加，樣品的質(zhì)量殘留量逐漸增大，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.0%時(shí)，殘?zhí)柯蔬_(dá)到49.05%。說(shuō)明乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加促進(jìn)了水凝膠熱穩(wěn)定性的增強(qiáng)，這與上述結(jié)果相吻合。

2.4 SF水凝膠的孔隙率和吸水率分析

孔隙率和吸水率是評(píng)價(jià)三維材料的一個(gè)重要指標(biāo)，不僅受內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，還與性能密切相關(guān)。本文計(jì)算出乙酸-乙醇誘導(dǎo)SF水凝膠的孔隙率和吸水率，當(dāng)無(wú)乙醇加入時(shí)，SF-0水凝膠的孔隙率為(95.47±0.24)%， 隨著乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，孔隙率沒(méi)有明顯變化，始終集中在95%附近，與SF-0樣品相近，說(shuō)明乙醇的加入對(duì)水凝膠的孔隙率影響不大。SF-0、SF-1、SF-2.5、SF-5、SF-10樣品的吸水率分別為(2 040±108.5)%、(1 516±275.6)%、(2 367±333.3)%、(2 669±135.4)%、(2 286±672.6)%，說(shuō)明隨著乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，吸水率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，與水凝膠形貌(由片層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為纖維狀，并隨著乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大纖維直徑逐漸增大)的變化趨勢(shì)相吻合，當(dāng)乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%時(shí)吸水率最大。這可能由于此時(shí)水凝膠內(nèi)部為纖維結(jié)構(gòu)且直徑較小時(shí)，比表面積增大，更有利于水分子的吸附。

2.5 SF水凝膠的壓縮力學(xué)性能分析

選取SF-0和SF-5這2組樣品的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，壓縮性能測(cè)試結(jié)果如圖6所示。由圖6(a)可以看出，干態(tài)下水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致可分為3個(gè)階段，分別為低應(yīng)變下的線性彈性區(qū)間(大概在0%～15%范圍內(nèi))，中等應(yīng)變下的非線性塑性變形平臺(tái)(15%～45%)以及高應(yīng)變下應(yīng)力急劇增加區(qū)(45%以上)[31]。相較于SF-0水凝膠，SF-5水凝膠的壓縮強(qiáng)度有了顯著的提高，當(dāng)壓縮應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)，SF-5水凝膠的壓縮強(qiáng)度可達(dá)到(75.16±3.79) kPa，而SF-0水凝膠的壓縮強(qiáng)度僅為(50.76±5.21) kPa，相較于以前通過(guò)其他制備工藝獲得的純SF纖維結(jié)構(gòu)水凝膠((31.9±2.6) kPa[35])，有了顯著提高。在壓縮應(yīng)變達(dá)到20%之前，SF-0水凝膠的壓縮強(qiáng)度明顯高于SF-5水凝膠，但SF-5水凝膠的線性彈性區(qū)間(0%～30%)明顯長(zhǎng)于SF-0水凝膠(0%～15%)， 說(shuō)明在壓縮應(yīng)變從0%到30%的過(guò)程中，SF-5水凝膠內(nèi)部可能再分為2個(gè)階段：首先是0%～15%壓縮應(yīng)變階段，水凝膠內(nèi)部纖維支架的壓縮起到一定的緩沖作用，故此階段上升趨勢(shì)較緩；當(dāng)壓縮應(yīng)變超過(guò)15%時(shí)，SF分子鏈開(kāi)始伸長(zhǎng)、舒展，因此，在15%～30%壓縮應(yīng)變階段大致呈線性增長(zhǎng)。從總體上來(lái)看，SF-5水凝膠的壓縮強(qiáng)度顯著高于SF-0水凝膠，原因大致有2個(gè)方面：一方面是結(jié)構(gòu)上的差異，均勻的三維纖維支架能夠存儲(chǔ)和損耗較多的能量；另一方面，SF-5水凝膠內(nèi)部結(jié)晶區(qū)所占比例較大(形成大量的β-折疊結(jié)構(gòu))，分子間形成緊密的氫鍵相互作用，進(jìn)一步阻礙了分子鏈的斷裂、滑移。由圖6(b)可知，濕態(tài)條件下SF-5水凝膠的壓縮強(qiáng)度可達(dá)到(7.2±0.3) kPa，且經(jīng)過(guò)5次反復(fù)的壓縮測(cè)試，水凝膠的回復(fù)率能夠達(dá)到伸長(zhǎng)的63%，表明SF-5水凝膠具有良好的柔韌性。

圖6 干態(tài)和濕態(tài)條件下絲素蛋白水凝膠的壓縮性能Fig.6 Compressive property of SF hydrogels in dry and wet state. (a) Compressive property in dry state; (b) Cyclic compressive property in wet state

3 結(jié) 論

本文制備了一種形貌可控、性能穩(wěn)定的絲素蛋白(SF)水凝膠。通過(guò)改變SF溶液中乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，探討并分析影響水凝膠形貌成形的因素，以及聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性能、力學(xué)性能的變化情況。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，SF溶液凝膠時(shí)間逐漸縮短，SF的無(wú)規(guī)卷曲構(gòu)象進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成β-折疊構(gòu)象；水凝膠形貌由均勻分布的孔洞結(jié)構(gòu)逐漸向纖維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，且纖維化越趨明顯，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%時(shí)，纖維直徑達(dá)到(1.09±0.5) μm，如果乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)10.0%達(dá)到20.0%時(shí)，水凝膠凍干后將無(wú)法保持穩(wěn)定的立體骨架結(jié)構(gòu)。此外，隨著乙醇的加入，水凝膠的力學(xué)性能也有所改善，在干態(tài)下應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)的壓縮強(qiáng)度從(50.76±5.21) kPa(乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%)提高到(75.16±3.79) kPa(乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%)，且在濕態(tài)下樣品的壓縮強(qiáng)度增加為(7.2±0.3) kPa，回復(fù)率達(dá)到伸長(zhǎng)的63%，具有良好的強(qiáng)力和韌性。該絲素蛋白水凝膠可應(yīng)用于組織支架、生物礦化等領(lǐng)域，具有一定的潛在價(jià)值。