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              絲素蛋白纖維提取技術的研究

              來源: 樹人論文網 發表時間:2022-04-23
              簡要:摘要: 絲素蛋白(SF)以其優異的性能,如較好的生物相容性、生物降解性和機械性能等,被廣泛應用于生物醫學領域。天然的SF需要經過脫膠處理(去除蠶絲中的絲膠)方可獲得,不同的脫膠方法

                摘要: 絲素蛋白(SF)以其優異的性能,如較好的生物相容性、生物降解性和機械性能等,被廣泛應用于生物醫學領域。天然的SF需要經過脫膠處理(去除蠶絲中的絲膠)方可獲得,不同的脫膠方法和工藝參數會對SF結構和性能產生不同的影響,選擇合理的高效脫膠工藝方法,為制備生物醫用材料提供較高性能的SF。本研究從化學、物理和生物技術幾方面論述了蠶絲脫膠的方法,包括堿性、酸性、高溫高壓(HTHP)、超聲波、微波和酶處理等,闡述了SF纖維的提取技術,以期獲得高純度、表面光滑、可降解性好和機械性能優異的SF,制備出SF新型材料,為SF在生物醫用材料領域的應用提供較好的前期研究基礎。

                關鍵詞: 絲素蛋白纖維;絲膠蛋白;脫膠方法;生物醫用材料;機械性能

                蠶絲是天然的纖維材料。無論何種類別的蠶絲,一般均由質量為70%左右的絲素蛋白(SF)和25%左右的絲膠所組成,剩余的5%左右則是一些雜質。早期蠶絲常被用在紡織領域上,隨著新材料的開發和利用,蠶絲在軍工、制藥、生物醫藥材料領域上也逐漸展現出其優異的特性,尤其是蠶絲中的SF,其具有良好的力學性能、生物相容性、抗菌性等優點,同時它的物理和生物學特性也優于絲膠。因此,人們對SF的研究越來越深入,從制備方法到將其復合制備成新材料,無一不體現出它優異的特性,如將SF制成粉末[1]、凝膠[2]、薄膜狀[3],通過靜電紡絲制成SF纖維膜[4],也制備成SF纖維增強復合材料[5]等。在生物醫療領域,SF可作為藥物釋放的載體[6]、人工骨組織支架[7]、傷口敷料[8]、人工耳膜[9]及神經導管[10]等。

                脫膠是一種表面改性手段,可通過改變脫膠手段、調節脫膠參數等,利于保存SF完好的結構和性能,開發出具備獨特的生物降解性、良好的機械性能的新型生物醫用材料。而如何在無殘留絲膠的同時,不損傷SF本身結構和性能,是蠶絲脫膠的首要問題。脫膠的實驗方法及工藝參數直接影響SF的特性,如脫膠過程中,脫膠的完整性、均勻性,直接影響脫膠后SF的柔軟性、光滑程度及光澤度等。本文從不同的角度總結闡述脫膠方案,主要從化學、物理和生物三方面闡述不同的提取方法,包括用堿、肥皂、尿素、有機酸、離子液體、高溫高壓、超聲波、微波和酶等脫膠方法(圖1)。無論是堿性、酸性還是物理/生物脫膠方法,都是將絲膠蛋白分解,從蠶絲上自行脫落下來,但是不同的脫膠方法對SF的生物醫用會產生不同的影響。本文在SF制備方法上進行合理闡述,以便在生物醫用材料領域上,為選取合適地提取方案提供清晰的思路及參考。

                1.1堿性處理

                堿性脫膠主要包括碳酸鈉(Na2CO3)、碳酸氫鈉(NaHCO3)、強堿性電解水(SAEW)、皂堿和尿素脫膠等,影響其脫膠的工藝參數主要有時間、溫度和脫膠劑的濃度,它們對SF影響對比如表1所示。

                絲膠不溶于冷水,易溶于熱水。然而在水熱堿性條件下,SF會發生熱降解和水解,所以脫膠溫度不易過高,一般不超過100 ℃(沸水點);且溫度不低于60 ℃,否則脫膠過程無法完成。強堿(Na2CO3/NaOH)處理對SF腐蝕性很強,不利于獲得較優異的SF[11],碳酸鈉的強堿性會破壞SF的分子鏈,導致其分子量降低,SF的分子量和其制備生物材料(如SF纖維膜)的降解率有關,較高的相對分子質量顯示出高效的降解行為。采用NaHCO3脫膠會保留較高的相對分子質量,對SF損傷性更小,雖NaHCO3脫膠率高,但仍有一部分SF被絲膠黏接,不利于制備高純度的SF[12-13]。為了保持堿性的恒定性,強堿性電解水(SAEW)脫膠可以穩定脫膠過程的pH值。如表1所示,當pH值為11.5時,SF纖維上的絲膠完全脫去。

                皂堿法脫膠后的SF纖維很柔軟,具有良好的彈性,但是時間長了容易變色發黃,因此不利于長時間儲存。肥皂的蠶絲脫膠原理,即肥皂經過水解形成堿,再與絲膠蛋白相互作用,生成溶于水的物質。當單獨采用帶有一定堿性的肥皂脫膠時,可以較短時間完成脫膠,且對SF的損傷性比碳酸鈉更小[14]。

                從Na2CO3到SAEW再到肥皂脫膠,堿性逐漸減弱,雖然脫膠率隨之下降(Na2CO3>SAEW>肥皂),但隨之逐漸保持較高SF的相對分子質量,且拉伸率上升(Na2CO3

                尿素作為一種溫和的脫膠劑,有一定的堿性作用,研究人員[17]發現在相同質量濃度下,相比Na2CO3脫膠,尿素脫膠后的SF溶液黏度更高,即SF相對分子質量更高。尿素也分堿性和非堿性,當采用非堿性尿素,得到相對分子質量較高的SF,有較好的生物降解性,但對SF有一定的損傷[18]。由表1可見,其脫膠率相對偏高,SF部分被脫掉,可能是由于其水解等因素引起。但當非堿尿素和肥皂脫膠相比,脫膠后SF相對分子質量和黏度為非堿尿素>肥皂[19]。

                1.2酸性處理

                酸性脫膠不亞于堿性脫膠,特別是有機酸(如琥珀酸、檸檬酸、蘋果酸、草酸、酒石酸等),其作用較堿性更溫和。與肥皂堿脫膠法相比,使用檸檬酸在高溫下脫膠得到的SF和肥皂脫膠一樣柔軟,但有機酸得到的SF纖維表面更光滑,穩定性更好[24]。然而與大多數堿處理一樣,隨著酸性強弱變化,SF仍然易受到攻擊,例如琥珀強酸與檸檬弱酸相比,前者對SF的損傷性更大[16]。表2展現不同的有機酸脫膠參數及對SF產生的影響。相比于堿性脫膠,有機弱酸脫膠對SF纖維造成更小的損傷,在結構和性能上最大程度地保持了SF纖維的完整性,但其脫膠率不夠,在SF纖維上仍殘留不少絲膠蛋白,不利于制備高純度的SF。

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