CN111041603A - 一种丝蛋白/微生物基聚合物溶液的制备方法和其复合纳米纤维的制备方法 - Google Patents

一种丝蛋白/微生物基聚合物溶液的制备方法和其复合纳米纤维的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种丝蛋白/微生物基聚合物溶液的制备方法和其复合纳米纤维的制备方法，选择甲酸和三氯甲烷为溶剂，用98％纯度的甲酸溶解丝蛋白，三氯甲烷溶解PHBV；通过调控丝蛋白溶液和PHBV溶液的质量分数，将丝蛋白溶液与PHBV溶液按照一定的溶质质量比进行混合，可得到稳定可纺的混合纺丝液；最后通过针式静电纺丝的方法制备出丝素/PHBV复合纳米纤维。本发明制备的丝素/PHBV复合纳米纤维，制备方法简单，纤维中同时含有丝蛋白和PHBV两种组分，纤维直径92.44nm～1273.15nm。

Description

一种丝蛋白/微生物基聚合物溶液的制备方法和其复合纳米 纤维的制备方法
技术领域
本发明属于纳米纤维技术领域，具体涉及一种丝蛋白/微生物基聚合物溶液的制备方法和其复合纳米纤维的制备方法。
背景技术
在过去几十年里，随着纳米技术的出现与不断进步，纳米材料已经引起了极大的关注。其中，静电纺丝技术是一种通过电场力制备超细纳米纤维简单有效的常用方法，纤维直径一般在几十纳米到几微米之间。在静电纺丝过程中，纺丝针头处的射流在电场力作用下会快速向接收板移动，在此期间，纺丝液中的溶剂将会挥发，并最终在接收板上形成纤维。与传统纤维相比，静电纺纳米纤维具有超细、比表面积大、孔隙率高等特点，可被广泛应用在组织工程、防护服、过滤、电子器件等领域。值得注意的是，在未来生物医学领域，静电纺纳米材料将会发挥着举足轻重的作用。
养蚕缫丝在我国有着悠久的历史，由于蚕丝有着特殊的光泽和杰出的物理机械性能，从古至今，人们都特别喜欢蚕丝加工而成的服饰。在过去，蚕丝主要应用在服装产业领域。近些年来，以蚕丝为研究对象制备生物医用材料的研究越来越多。
有关丝蛋白复合纤维的研究，如：首先制备再生丝素蛋白膜，然后合成银纳米线，将制备的丝素蛋白膜溶解于银纳米线/酸性溶剂分散体系中，形成丝素蛋白/银纳米线/酸性溶剂纺丝液，最后制备出单纤维状的，并且具有高导电性和高柔韧性的银纳米线/丝素蛋白复合纤维，该方法在制备银纳米线的过程中需要使用保护剂、还原剂等，流程复杂不方便；又如：首先获取丝素蛋白及羟丙基甲基纤维素，将丝素蛋白及羟丙基甲基纤维素溶于甲酸后获得基础纺丝溶液，将基础纺丝溶液放置于磁力搅拌机内搅拌至均匀透明溶液，随后将纺丝溶液放置于恒定供液装置内，控制恒定供液装置的供液速度以在储液管的上表面形成自由液面，打开高压静电装置开始纺丝以获得纳米纤维，该方法采用的纺丝装置为气泡静电纺丝装置，包括储液管、通过输液管与储液管连接的恒定供液装置以及与储液池连接的高压静电装置，对纺丝装置有一定的要求。
此外，随着科学技术的不断发展，人们对环境保护更加重视，越来越提倡环境友好型材料的使用。PHA是由细菌等微生物合成的胞内聚酯，是细菌胞内的碳源和能源的储备物质。丝蛋白(SF)和聚羟基脂肪酸酯(PHA)具有独特的生物相容性和生物可降解性，近些年来已经受到了越来越多的关注。本发明所使用的微生物基聚合物材料为聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)(PHBV)，它是PHA众多种类中的一种，由3-羟基丁酸酯(PHB)和3-羟基戊酸酯(HV)共聚而成。目前，制备丝素/PHBV复合纳米纤维所用的纺丝液的现有制备方法为采用六氟异丙醇作为丝蛋白和PHBV的共同溶剂，但是六氟异丙醇具有急性毒性且价格昂贵，在使用过程中潜在的危害极大。
因此，针对上述存在的问题，有必要提出进一步的解决方案。
发明内容
本发明目的是提供一种丝蛋白/微生物基聚合物溶液的制备方法和其复合纳米纤维的制备方法，解决上述问题。
本发明的技术方案是：
一种丝蛋白/微生物基聚合物溶液的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)制备丝蛋白溶液：将丝素膜剪碎，采用甲酸溶解所述丝素膜，获得丝蛋白溶液，放在冰箱中备用；
(2)制备PHBV溶液：采用三氯甲烷溶解PHBV，搅拌直至所述PHBV完全溶解，获得PHBV溶液；
(3)制备纺丝液：将所述丝蛋白溶液和所述PHBV溶液混合，获得纺丝液，即丝蛋白/微生物基聚合物溶液。
进一步的，步骤(1)中所述丝素膜的制备方法为：将生丝在煮沸的0.02mol/L的Na2CO3溶液中脱胶30min，获得脱完胶的丝素蛋白；将所述脱完胶的丝素蛋白在60℃的烘箱中干燥，随后将干燥好的丝素蛋白溶解于9.3mol/L的LiBr溶液中，获得丝素溶液；对所述丝素溶液进行3天透析，并利用离心机进行离心，重复2次，参数为转速12000rpm、温度4℃、时间20min，过滤后得到丝素水溶液；将所述丝素水溶液滴取到培养皿中，置于35℃烘箱中干燥，最终得到丝素膜。
进一步的，所述干燥好的丝素蛋白与LiBr溶液的添加比例为：13.5g干燥好的丝素蛋白溶解在50ml LiBr溶液中。
进一步的，步骤(1)中所述甲酸的纯度为98％。
进一步的，步骤(1)中所述丝蛋白溶液的质量百分比为8％～10％。
进一步的，步骤(2)中所述搅拌的温度条件为50℃恒温。
进一步的，步骤(2)中所述PHBV溶液的质量百分比为2％～5％。
进一步的，步骤(3)中所述纺丝液的丝素与PHBV的溶质质量比为1.5/1、2/1、3/1、4/1、5/1、6/1、7/1、8/1、9/1或10/1中的任意一种。
本发明的另一技术方案是：
一种复合纳米纤维的制备方法，利用上述制备的丝蛋白/微生物基聚合物溶液，采用静电纺丝法制备复合纳米纤维。
进一步的，所述静电纺丝法采用针式静电纺丝装置，金属平板作为收集装置，纺丝温度为室温，湿度小于40％，纺丝电压为15～23kV，流量为0.3mL/h，接收距离为13～17cm。
本发明提供了一种丝蛋白/微生物基聚合物溶液的制备方法和其复合纳米纤维的制备方法，该方法具有以下优点：
1、所制得的丝蛋白/微生物基聚合物复合纳米纤维，与纯丝蛋白纤维和纯PHBV纤维相比，根据混合纺丝液的不同，纤维直径可在几十纳米到微米之间进行调控，从而满足不同应用的需求；
2、该方法工艺简单，容易操作；
3、该方法所制备的一种丝蛋白/微生物基聚合物复合纳米纤维，具有良好的生物可降解性、生物相容性，另外，PHBV可以提高复合纳米纤维的结晶度，丝蛋白可以提高复合纳米纤维的热学性能，兼具两种材料的共同优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中，
图1为本发明制备不同PHBV含量的丝蛋白/微生物基聚合物复合纳米纤维的外观形貌电镜图，其中，(a)图的丝素与PHBV的溶质质量比为10/1，(b)图的丝素与PHBV的溶质质量比为4/1，(c)图的丝素与PHBV的溶质质量比为3/1，(d)图的丝素与PHBV的溶质质量比为2/1，(e)图的丝素与PHBV的溶质质量比为1.5/1，(f)图的丝素与PHBV的溶质质量比为1.5/1，但纤维形貌与(e)图存在明显差别。
具体实施方式
本发明公开了一种丝蛋白/微生物基聚合物溶液的制备方法，使用双溶剂且这两种溶剂均为常用化学试剂，价格便宜。用甲酸溶解丝蛋白，三氯甲烷溶解PHBV，然后将得到的丝蛋白溶液和PHBV溶液按照一定的溶质质量比进行混合，最后得到均匀稳定的混合纺丝液。具体操作步骤如下：
(1)丝蛋白溶液的制备：丝蛋白溶液通过甲酸溶解丝素膜得到。将丝素膜剪碎，采用98％纯度甲酸溶解丝素膜，丝蛋白溶液的质量分数在8％～10％，放在4℃冰箱中备用。
(2)PHBV溶液的制备：采用三氯甲烷溶解PHBV，在50℃恒温条件下搅拌，直至PHBV完全溶解，PHBV溶液的质量分数在2％～5％。
(3)纺丝液的制备：将上述得到的两种溶液，根据混合溶液中丝蛋白与PHBV不同的溶质质量比进行混合，二者混合比例有1/1、2/1、3/1、4/1、5/1、6/1、7/1、8/1、9/1、10/1。在制备混合纺丝液的过程中发现，一些比例下的混合纺丝液会有沉淀产生，主要原因如下：①三氯甲烷作为一种有机溶剂，会降低蛋白质溶液的介电常数，从而导致蛋白质分子中的静电排斥力增加，稳定性下降；②三氯甲烷属于卤代烃，可以与蛋白质中的氨基发生反应，形成胺，导致蛋白质变性析出。降低丝蛋白溶液的浓度，同时提高PHBV溶液的浓度，可以有效提高稳定可纺混合纺丝液中PHBV的含量。因此，在制备混合纺丝液时，需要控制好丝蛋白与PHBV的溶质混合比例，从而得到稳定、具有可纺性的混合纺丝液。通过调整丝蛋白溶液与PHBV溶液的溶质质量分数，稳定可纺混合纺丝液的丝素与PHBV的溶质质量比为1.5/1、2/1、3/1、4/1、5/1、6/1、7/1、8/1、9/1、10/1。如图1所示，上述比例能够得到稳定、具有可纺性的混合纺丝液，从而获得丝蛋白/微生物基聚合物复合纳米纤维。
利用上述纺丝液，采用针式静电纺丝装置，金属平板作为收集装置，纺丝温度为室温，湿度在40％以下，纺丝电压15～23kV，流量0.3mL/h，接收距离13～17cm，制备复合纳米纤维。纺丝参数对该复合纳米纤维的纺丝状态、纤维形貌等有较大的影响。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例进一步说明本发明的技术方案。但是本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明所要求的权利范围内其他任何公知的改变。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
本实施案例按如下步骤展示一种复合纳米纤维的制备方法，具体步骤如下：
(1)丝素膜的制备：将生丝在煮沸的0.02mol/L的Na2CO3溶液中脱胶30min，然后将脱完胶的丝素蛋白在60℃的烘箱中干燥，随后将干燥好的丝素蛋白溶解于9.3mol/L的LiBr溶液中(添加比例：13.5g丝素蛋白溶解在50ml LiBr溶液中)，对所得丝素溶液进行3天透析，并利用离心机进行离心，重复2次，参数为转速12000rpm、温度4℃、时间20min，过滤后得到丝素水溶液。将丝素水溶液滴取到培养皿中，置于35℃烘箱中干燥，最终得到丝素膜。
(2)纺丝液的制备：将步骤(1)得到的丝素膜用98％纯度的甲酸进行溶解，得到质量分数为10％的丝素溶液；用三氯甲烷溶解PHBV，得到质量分数为2％的PHBV溶液，将上述两种溶液按照丝素与PHBV的溶质质量比为10/1进行混合，并以该混合纺丝溶液进行纺丝。
(3)复合纳米纤维的制备：实验采用针式静电纺丝装置，金属平板作为接收装置，空气湿度在40％以下，纺丝具体参数为电压15kV、流量0.3mL/h、接收距离13cm，纤维直径171.10±40.38nm。
实施例2
本实施案例按如下步骤展示一种复合纳米纤维的制备方法，具体步骤如下：
(1)丝素膜的制备：方法同实施例1中的步骤(1)。
(2)纺丝液的制备：将步骤(1)得到的丝素膜用98％纯度的甲酸进行溶解，得到质量分数为10％的丝素溶液；用三氯甲烷溶解PHBV，得到质量分数为3％的PHBV溶液，将上述两种溶液按照丝素与PHBV的溶质质量比为4/1的比例混合并进行纺丝。
(3)复合纳米纤维的制备：实验采用针式静电纺丝装置，金属平板作为接收装置，空气湿度在40％以下，纺丝具体参数为电压20kV、流量0.3mL/h、接收距离17cm，纤维直径149.70±28.57nm。
实施例3
本实施案例按如下步骤展示一种复合纳米纤维的制备方法，具体步骤如下：
(1)丝素膜的制备：方法同实施例1中的步骤(1)。
(2)纺丝液的制备：将步骤(1)得到的丝素膜用98％纯度的甲酸进行溶解，得到质量分数为8％的丝素溶液；用三氯甲烷溶解PHBV，得到质量分数为4％的PHBV溶液，将上述两种溶液按照丝素与PHBV的溶质质量比3/1时制备混合溶液进行纺丝。
(3)复合纳米纤维的制备：实验采用针式静电纺丝装置，金属平板作为接收装置，空气湿度在40％以下，纺丝具体参数为电压23kV、流量0.3mL/h、接收距离13cm，纤维直径108.29±26.77nm。
实施例4
本实施案例按如下步骤展示一种复合纳米纤维的制备方法，具体步骤如下：
(1)丝素膜的制备：方法同实施例1中的步骤(1)。
(2)纺丝液的制备：将步骤(1)得到的丝素膜用98％纯度的甲酸进行溶解，得到质量分数为8％的丝素溶液；用三氯甲烷溶解PHBV，得到质量分数为4.5％的PHBV溶液，将上述两种溶液按照丝素与PHBV的溶质质量比为2/1制备混合溶液进行纺丝。
(3)复合纳米纤维的制备：实验采用针式静电纺丝装置，金属平板作为接收装置，空气湿度在40％以下，纺丝具体参数为电压20kV、流量0.3mL/h、接收距离17cm，纤维直径120.82±24.83nm。
实施例5
本实施案例按如下步骤展示一种复合纳米纤维的制备方法，具体步骤如下：
(1)丝素膜的制备：方法同实施例1中的步骤(1)。
(2)纺丝液的制备：将步骤(1)得到的丝素膜用98％纯度的甲酸进行溶解，得到质量分数为8％的丝素溶液；用三氯甲烷溶解PHBV，得到质量分数为5％的PHBV溶液，将上述两种溶液按照丝素与PHBV的溶质质量比为1.5/1制备混合溶液进行纺丝。
(3)复合纳米纤维的制备：实验采用针式静电纺丝装置，金属平板作为接收装置，空气湿度在40％以下，纺丝具体参数为电压20kV、流量0.3mL/h、接收距离13cm，纤维直径92.44±18.63nm。
实施例6
本实施案例按如下步骤展示一种复合纳米纤维的制备方法，具体步骤如下：
(1)丝素膜的制备：方法同实施例1中的步骤(1)。
(2)纺丝液的制备：将步骤(1)得到的丝素膜用98％纯度的甲酸进行溶解，得到质量分数为8％的丝素溶液；用三氯甲烷溶解PHBV，得到质量分数为4.5％的PHBV溶液，将上述两种溶液按照丝素与PHBV的溶质质量比为1.5/1制备混合溶液进行纺丝。
(3)复合纳米纤维的制备：实验采用针式静电纺丝装置，金属平板作为接收装置，空气湿度在40％以下，纺丝具体参数为电压20kV、流量0.3mL/h、接收距离13cm，纤维直径1273.15±225.18nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的一种丝蛋白/微生物基聚合物溶液的制备方法和其复合纳米纤维的制备方法，采用简单的针式静电纺丝技术，选取丝蛋白、PHBV两种生物材料为原料，制备出具有良好生物相容性、生物可降解性的复合纳米纤维。另外，在静电纺丝过程中，丝蛋白的结晶能力很低，为无规卷曲结构，而PHBV易于结晶，可以有效提高复合纳米纤维的结晶度。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种丝蛋白/微生物基聚合物溶液的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)制备丝蛋白溶液：将丝素膜剪碎，采用甲酸溶解所述丝素膜，获得丝蛋白溶液，放在冰箱中备用；
(2)制备PHBV溶液：采用三氯甲烷溶解PHBV，搅拌直至所述PHBV完全溶解，获得PHBV溶液；
(3)制备纺丝液：将所述丝蛋白溶液和所述PHBV溶液混合，获得纺丝液，即丝蛋白/微生物基聚合物溶液。
2.根据权利要求1所述的一种丝蛋白/微生物基聚合物溶液的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述丝素膜的制备方法为：将生丝在煮沸的0.02mol/L的Na2CO3溶液中脱胶30min，获得脱完胶的丝素蛋白；将所述脱完胶的丝素蛋白在60℃的烘箱中干燥，随后将干燥好的丝素蛋白溶解于9.3mol/L的LiBr溶液中，获得丝素溶液；对所述丝素溶液进行3天透析，并利用离心机进行离心，重复2次，参数为转速12000rpm、温度4℃、时间20min，过滤后得到丝素水溶液；将所述丝素水溶液滴取到培养皿中，置于35℃烘箱中干燥，最终得到丝素膜。
3.根据权利要求2所述的一种丝蛋白/微生物基聚合物溶液的制备方法，其特征在于：所述干燥好的丝素蛋白与LiBr溶液的添加比例为：13.5g干燥好的丝素蛋白溶解在50mlLiBr溶液中。
4.根据权利要求1所述的一种丝蛋白/微生物基聚合物溶液的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述甲酸的纯度为98％。
5.根据权利要求1所述的一种丝蛋白/微生物基聚合物溶液的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述丝蛋白溶液的质量百分比为8％～10％。
6.根据权利要求1所述的一种丝蛋白/微生物基聚合物溶液的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述搅拌的温度条件为50℃恒温。
7.根据权利要求1所述的一种丝蛋白/微生物基聚合物溶液的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述PHBV溶液的质量百分比为2％～5％。
8.根据权利要求1所述的一种丝蛋白/微生物基聚合物溶液的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述纺丝液的丝素与PHBV的溶质质量比为1.5/1、2/1、3/1、4/1、5/1、6/1、7/1、8/1、9/1或10/1中的任意一种。
9.一种复合纳米纤维的制备方法，其特征在于：利用权利要求1-8任意一项制备的丝蛋白/微生物基聚合物溶液，采用静电纺丝法制备复合纳米纤维。
10.根据权利要求9所述的一种复合纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述静电纺丝法采用针式静电纺丝装置，金属平板作为收集装置，纺丝温度为室温，湿度小于40％，纺丝电压为15～23kV，流量为0.3mL/h，接收距离为13～17cm。
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