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        絲素蛋白納米纖維的研究進(jìn)展

        2022-11-04 06:33:40閆曉靜
        紡織報(bào)告 2022年10期
        關(guān)鍵詞:單絲絲素蠶絲

        劉 彤,閆曉靜,陳 超

        (1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215021;2.現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,江蘇 蘇州 215021)

        1 蠶絲的結(jié)構(gòu)

        隨著對(duì)蠶絲的研究不斷深入,業(yè)內(nèi)學(xué)者對(duì)蠶絲的結(jié)構(gòu)和組成產(chǎn)生了新的認(rèn)識(shí),圖1為Wang等[1]提出的蠶絲層級(jí)結(jié)構(gòu)模型。生活中常用的生絲是由多根蠶絲繅絲而成,蠶絲是由兩根截面為三角形、直徑為12~20 μm的單絲外包絲膠粘合而成,而單絲具有更復(fù)雜的層級(jí)結(jié)構(gòu)。從形貌上看,單絲由多根具有取向性的納米纖維組成,納米纖維在定向與扭曲的過程中會(huì)使纖維間產(chǎn)生劇烈的摩擦,極大地提高了蠶絲的力學(xué)強(qiáng)度。

        圖1 蠶絲的層級(jí)結(jié)構(gòu)

        在分子尺度上,蠶絲是由重鏈蛋白(Fib-H)、輕鏈蛋白(Fib-L)和糖蛋白(P25)以6∶6∶1的比例組成的蛋白復(fù)合體,其中,95%為H鏈,全長(zhǎng)大約有5 263個(gè)氨基酸,分子量為390 kD。核心區(qū)域是高度重復(fù)的氨基酸序列,由親水(GAGAGY)和疏水(GAGAGS)片段交替組成,兩端是由無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)組成的N末端和C末端。在自然紡絲階段,親水區(qū)域?yàn)闊o規(guī)卷曲或者α-螺旋結(jié)構(gòu),而疏水區(qū)域通過擠出和剪切作用轉(zhuǎn)變成高度有序的β-折疊結(jié)構(gòu),這些非晶結(jié)構(gòu)(無規(guī)卷曲或α-螺旋)和納米晶體(β-折疊)被組裝成直徑約3 nm的纖維,然后捆綁成直徑為20~100 nm的納米纖維,最后組裝成直徑約10 μm的單絲纖維。

        2 絲素蛋白納米纖維的研究現(xiàn)狀

        相對(duì)于普通材料,具有一些特殊性質(zhì)的納米纖維具有更大的優(yōu)勢(shì),可通過直接利用、復(fù)合活性單元、化學(xué)改性等方法制備出納米纖維薄膜、水凝膠、多孔支架等組織工程用材料。

        蠶絲本身具有卓越的力學(xué)性能,但是,由再生絲素蛋白制備的材料力學(xué)性能有所下降,這是破壞了蠶絲纖維原本的復(fù)雜層級(jí)結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的。在現(xiàn)有的研究中,絲素蛋白納米纖維的制備主要分為“自下而上”和“自上而下”兩種方式。所謂的“自下而上”,是通過將蠶絲溶解成絲素蛋白分子,然后將其聚集成束或者組裝成納米纖維,結(jié)晶態(tài)以Silk Ⅰ結(jié)構(gòu)為主;而“自上而下”是從蠶絲中直接剝離出納米纖維,保留了蠶絲原本的結(jié)晶結(jié)構(gòu),而不是溶解成絲素蛋白分子,結(jié)晶態(tài)以Silk Ⅱ結(jié)構(gòu)為主。采用以上兩種方式制備的絲素蛋白納米纖維在結(jié)構(gòu)上有很大區(qū)別。

        2.1 “自下而上”制備絲素蛋白納米纖維

        “自下而上”制備絲素蛋白納米纖維主要有兩種方式,分別是靜電紡絲和自組裝。(1)靜電紡絲過程:將蠶絲制備成再生絲素蛋白溶液,再經(jīng)過高壓靜電紡絲成納米纖維,主要原理是使溶液帶電,在噴絲口形成Taylor錐,針頭在電場(chǎng)力下產(chǎn)生噴射細(xì)流,經(jīng)過分裂、拉伸,最后聚集在收集板上。然而,靜電紡絲對(duì)溶液以及溶劑的要求較高,單純的絲素蛋白水溶液很難達(dá)到紡絲要求,而且紡絲效果較差,通常使用甲酸、六氟異丙醇等有毒試劑作為靜電紡絲溶劑,并且獲得的絲素蛋白納米纖維存在連續(xù)性差、串珠、尺寸不均勻等缺點(diǎn)。(2)自組裝過程是指基本結(jié)構(gòu)單元通過非共價(jià)鍵相互作用自發(fā)形成的一類結(jié)構(gòu)明確、穩(wěn)定、具有某種特殊功能或性能的超分子結(jié)構(gòu)或分子聚集體的過程。自組裝制備絲素蛋白納米纖維的過程:緩慢干燥再生絲素蛋白溶液,絲素蛋白與結(jié)合水之間的相互作用增加,在濃縮絲溶液中不添加其他添加劑的情況下,膠束易聚集為納米纖維。但是,自組裝的絲素蛋白納米纖維長(zhǎng)度較短、長(zhǎng)徑比不高且不穩(wěn)定,容易形成凝膠。

        2.2 “自上而下”制備絲素蛋白納米纖維

        由于天然蠶絲具有復(fù)雜的層級(jí)結(jié)構(gòu),可以從中直接剝離出納米纖維,但目前仍存在產(chǎn)率低、制備工藝有缺陷等問題。圖2為各研究者“自上而下”剝離出的絲素蛋白納米纖維形貌圖。

        Zhao等[2]通過單純的機(jī)械超聲處理,從蜘蛛絲、蠶絲中分離出直徑為25~100 nm的納米纖維[圖2(A)]。超聲過程中微泡的形成、生長(zhǎng)、破裂、猛烈的塌陷等產(chǎn)生的作用力在纖維表面引發(fā)微射和沖擊波,導(dǎo)致纖維表面的刻蝕沿著軸向分裂。

        Zhang等[3]采用甲酸-氯化鈣(FA-CaCl2)部分溶解蠶絲,制備出直徑為20~200 nm的絲素蛋白納米纖維[圖2(B)]。甲酸的強(qiáng)極性離子使水分子滲透到纖維內(nèi)部,可降低分子間相互作用力,有利于Ca2+與絲素大分子鏈中的絲氨酸、酪氨酸等發(fā)生絡(luò)合作用,破壞分子間的氫鍵,進(jìn)而將蠶絲分解成納米纖維,而不是絲素蛋白分子。

        Ling等[4]從石墨的液體剝離中獲得靈感,使用六氟異丙醇和超聲處理剝離出直徑為20 nm、長(zhǎng)度為300~500 nm的納米纖維[圖2(C)],但是使用的試劑(六氟異丙醇)有毒、價(jià)格昂貴且產(chǎn)率較低,不適合大規(guī)模和生物醫(yī)用材料的應(yīng)用。

        Liang等[5]通過調(diào)控脫膠條件、研磨和均質(zhì)過程中的剪切力來控制纖維的原纖化程度[圖2(D)],并進(jìn)一步制備出力學(xué)性能優(yōu)異、吸水性好、生物相容性強(qiáng)的納米纖維紙。

        Wang等[6]采用三元溶劑(CaCl2、CH3CH2OH、H2O)部分溶解的方法,從蠶絲中剝離出直徑為280 nm、長(zhǎng)度為10~30 μm的絲素蛋白納米纖維[圖2(E)],并將其與碳納米管混合制備出高柔性的復(fù)合薄膜,表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能和電學(xué)特性。

        Niu等[7]將脫膠絲溶解在NaOH/尿素的混合溶液中,并在低溫下剝離出包含單個(gè)β-折疊層和無定形鏈的較?。ㄖ睆綖?0 nm)絲素蛋白納米帶[圖2(F)],最后將納米帶制備成高透光率的柔性納米纖維薄膜,同時(shí)提出蠶絲的層級(jí)結(jié)構(gòu)模型。

        圖2 “自上而下”剝離的絲素蛋白納米纖維形貌

        3 展望

        如果能找到一種具有高效率的“自上而下”方式,從蠶絲中剝離出產(chǎn)率高、長(zhǎng)徑比高、力學(xué)性能優(yōu)異的納米纖維,能為絲素蛋白材料產(chǎn)品開發(fā)提供理論方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)指導(dǎo)。

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