CN110257942A - 一种蚕丝蛋白微纳米纤维的可控制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于纳米材料制备领域，具体涉及一种绿色、低成本的蚕丝蛋白微纳米纤维的可控制备方法。将天然蚕茧加至尿素的水溶液中，在10‑1000rpm的搅拌速度、5‑80℃温度下，反应0.5‑90天；反应后离心沉淀分散于水中，反复离心洗涤，超声分散，获得初级产物；而后通过改变初级产物的离心速率，获得不同粒径的蚕丝蛋白微纳米纤维。本发明操作简便，产率高，生产成本低，绿色环保，不涉及酸、碱、有机试剂等有毒或腐蚀性试剂，不涉及大型仪器设备，溶剂可回收利用，可实现规模化生产；得到的蚕丝蛋白微纳米纤维具有高长径比，可以保持天然蚕丝纤维的功能特征，并可通过干燥成膜、抽滤成膜、抄纸等成膜及造纸工艺获得高机械性能的蚕丝纤维膜和蚕丝纤维纸。

Description

一种蚕丝蛋白微纳米纤维的可控制备方法

技术领域

本发明属于纳米材料制备领域，具体涉及一种绿色、低成本的蚕丝蛋白微纳米纤维的可控制备方法。

背景技术

蚕丝是由蚕分泌的丝液凝固而成的连续纤维，具有可再生、来源广泛、生物相容性好、可生物降解等优点，是人类最早利用的动物纤维。蚕丝的透气性好且柔软、高弹，广泛应用于纺织领域。天然蚕丝表面富含活性基团，可通过物理/化学方法制备绿色环保的功能材料，有望改善环境污染等问题；同时，蚕丝可以与功能性纳米材料复合，在纳米传感、生物医药、高强度复合材料等领域具有广泛应用。

蚕丝的结构模型(Adv.Funct.Mater.2018,28,24；Small 2015,11,1039；ACS Nano2018,12,11860)显示，天然蚕丝纤维由三个尺度层面的纤维构成：丝素蛋白分子在纳米尺度进行分子组装排列形成直径在10⁰-10¹nm之间的纳米纤维，纳米纤维取向排列并通过氢键、范德华力等互相作用力交联键合形成直径在10¹-10²nm之间的微米纤维，微米纤维进一步取向并交联形成直径超过10¹μm的天然蚕丝纤维。蚕丝结构中的微纳米纤维保留了宏观纤维的优良性能，如高机械强度、高柔韧性、良好的生物相容性等，同时具有微纳米尺度的直径分布和高长径比，在构筑基于蚕丝纤维的功能材料如柔性可穿戴材料、细胞培养基底等领域具有重要的科研价值和实用意义。尤其是蚕丝微米纤维，保留了纳米纤维的半结晶结构和纤维间的取向交联作用力，拥有比纳米纤维更高的力学性能，应用范围更加广泛。

目前，由天然蚕茧自上而下剥离法制备的蚕丝蛋白微纳米纤维，其主要借助有机溶剂部分溶解以破坏蚕丝蛋白分子间的相互作用力，并利用超声破碎将蚕丝微纳米纤维从宏观纤维上剥离。有文献(J.Mater.Chem.B 2014,2(24),3879-3885)利用甲酸-氯化钙(CaCl₂/HCOOH)溶液对蚕丝蛋白的溶解性能，调节反应时间，获得了直径分布在20-200nm的蚕丝蛋白纳米纤维。来自Tufts大学的研究人员利用六氟异丙醇部分溶解蚕丝(Adv.Mater.2016,28(35),7783)，结合超声破碎(超声频率：20kHz，振幅：120μm，超声时间：1h)，自上而下地从本体蚕丝纤维中剥离出直径分布20±5nm、长度分布300-500nm的蚕丝纳米纤维。文献(Green Chem.2018,20(15),3625-3633)以尿素/盐酸胍(摩尔比2:1)作为共溶剂，在80℃下剥离蚕丝，并结合超声破碎获得蚕丝纳米纤维。然而，通过对现有蚕丝蛋白微纳米纤维制备技术文献和专利的检索发现，现有的制备过程大多涉及强酸(甲酸)、有毒或有机试剂(六氟异丙醇)、高温(80℃)等，对丝素蛋白二级结构及其蛋白分子间作用的破坏大，有相当一部分的丝素蛋白被溶解或水解，导致剥离过程难以精确调控，剥离效率低(<10％)，且所获得的绝大多数纤维产物为长度小于1μm、直径小于20nm的纳米纤维，无法大量获得长径比高的蚕丝微纳米纤维。另外，强酸及有机/有毒试剂的使用还限制了蚕丝微纳米纤维的大规模制备，并对蚕丝蛋白微纳米纤维产物的稳定性和生物相容性有不良影响。绿色环保、无毒无害、溶剂可重复利用、可量化生产、不破坏丝素蛋白分子二级结构、纤维直径可控的制备方法仍有待开发。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种绿色、低成本的蚕丝蛋白微纳米纤维的可控制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种蚕丝蛋白微纳米纤维的可控制备方法，其特征在于：将天然蚕茧加至尿素的水溶液中，在10-1000rpm的搅拌速度、5-80℃温度下，反应0.5-90天；反应后离心沉淀分散于水中，反复离心洗涤，超声分散，获得初级产物；而后通过改变初级产物的离心速率，可控地获得不同粒径的蚕丝蛋白微纳米纤维。

所述蚕茧为常见蚕茧中的一种或几种；如桑蚕、柞蚕、天蚕、蓖麻蚕、柳蚕等。

所述所用的尿素水溶液的摩尔浓度为1-20M，优选8M；蚕茧在体系中的终浓度为0.01-1.0wt％，优选0.2wt％。

所述将蚕茧与尿素反应后的反应液以8000-10000rpm的离心速率，进行离心5-10次，每次离心时间为3-10min，收集离心后的下层沉淀并再分散在水中，在100-400W功率下超声分散0.2-10min，即为初级产物。

所述蚕茧与尿素反应后的反应液首次离心收集的离心上清液，可作为溶剂套用于与蚕茧反应中。

所述将初级产物在8000-12000rpm的离心速率下，获得平均直径为27±8nm的蚕丝蛋白纳米纤维分散液；控制离心速率为4000-5000rpm，获得平均直径为246±40nm的蚕丝蛋白微米纤维分散液。

所述分离获得平均直径为27±8nm的蚕丝蛋白纳米纤维，其纤维直径分布为10-100nm；平均直径为246±40nm的蚕丝蛋白微米纤维，其纤维直径分布为100-1000nm。

本发明的有益效果

本发明以天然生物质—蚕茧为原料，操作步骤简单，对设备的要求低，制备过程绿色环保，不使用有毒、有害、有机试剂；所用尿素溶液可回收并重复利用，所得的蚕丝蛋白微纳米纤维具有高长径比，并保持了天然蚕丝的优良性质。具体为：

1.本发明原材料(蚕茧)广泛易得、价格低廉，具有良好的生物相容性和生物可降解性，且蚕茧无需脱胶等前处理过程，减少能耗。

2.本发明反应所需的溶剂体系为对人体无毒无害、不破坏丝素蛋白二级结构的尿素溶液，大大降低了丝素蛋白分子在剥离过程中的水解和溶解，且可对反应溶剂进行回收并重复利用。

3.本发明对实验设备的要求低，剥离过程只需要恒温水浴/油浴锅、超声仪和离心机。

4.采用本发明将尿素与蚕茧混合反应，按照不同离心速度进行离心处理，实现蚕丝的可控剥离，宏量获得蚕丝微纳米纤维；且，所得蚕丝微纳米纤维的产率高，尺寸分布均一，长径比高，保持了本体蚕丝纤维的优良性质(例如高力学性质等)，同时对所得丝素蛋白的二级结构破坏小。

附图说明

图1为本发明实施例1中以桑蚕蚕茧为例的蚕丝蛋白微纳米纤维可控制备过程的示意图。

图2为本发明实施例1所获得的桑蚕丝蛋白微纳米纤维的形貌图及其水相分散液照片；其中，图2A为平均直径27±8nm的桑蚕丝纳米纤维的扫描电子显微镜形貌图，长度分布为0.3-100μm，长径比分布为3-10000；图2B为平均直径246±40nm的桑蚕丝微米纤维的扫描电子显微镜形貌图，长度分布为2-900μm，长径比分布为2-9000。

图3为由本发明实施例1所获得的桑蚕丝蛋白微纳米纤维干燥成膜后的展示照片及机械性能表征。其中，图3A为蚕丝微纳米纤维干燥成膜后膜的力学性质，图3B为蚕丝微米纤维(纤维直径246±40nm)经抄纸工艺获得的蚕丝微米纤维纸的照片。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例应是对整个技术方案完整清楚的阐述，同时可对各实验步骤进行进一步的解释说明，使其更全面的反应整个技术方案所能达到的技术效果。

本发明选取尿素作为辅助制备蚕丝蛋白微纳米纤维的试剂，将蚕茧置于尿素溶液中搅拌反应，在一定反应温度、搅拌速度条件下可控获得平均直径分别为27±8nm和246±40nm的蚕丝蛋白纳米纤维和微米纤维。本发明操作简便，产率高，生产成本低，绿色环保，不涉及酸、碱、有机试剂等有毒或腐蚀性试剂，不涉及大型仪器设备，溶剂可回收利用，可实现规模化生产；得到的蚕丝蛋白微纳米纤维具有高长径比，可以保持天然蚕丝纤维的功能特征，并可通过干燥成膜、抽滤成膜、抄纸等成膜及造纸工艺获得高机械性能的蚕丝纤维膜和蚕丝纤维纸；与现有技术相比，本方法避免使用对蚕丝蛋白分子结构有害的酸、碱、有机试剂，能可控实现蚕丝蛋白微纳米纤维的绿色低成本量化生产，所制备的蚕丝蛋白微纳米纤维绿色无毒，可用直接于生物或与人体接触的材料。

实施例1

如图1所示，以桑蚕蚕茧为例，进行绿色、低成本蚕丝蛋白微纳米纤维的可控制备：

将市售桑蚕蚕茧用剪刀剪成面积约为1cm²的碎片，称取1g，加至500g、8.8M的尿素溶液中，并转移到密闭容器里。将盛有上述混合液的密闭容器置于60℃油浴中，在20rpm转速下搅拌5天；将反应液转移到50mL离心管中，在8000rpm下离心5min。离心结束后，将上清液(含8.8M尿素)回收，实现溶剂的重复利用；将下层沉淀分散到纯水中，以8000rpm转速离心5min洗涤5次；将离心洗涤后的沉淀分散在纯水中，在300W功率下超声分散90秒，获得蚕丝微纳米纤维的初级产物。

将初级产物以8000rpm转速离心5min，收集上清液，获得平均直径为27±8nm的蚕丝蛋白纳米纤维；收集下层沉淀，再次分散到纯水中，以4000rpm转速离心5min，收集上清液，获得平均直径为246±40nm的蚕丝蛋白微米纤维，完成桑蚕丝微纳米纤维的可控制备(参见图2)。

由图2可见，获得的两种蚕丝微纳米纤维的尺寸均匀，纳米纤维的长径比分布为3-10000，微米纤维的长径比分布为2-9000，并在水中均具有良好的分散性和稳定性。进一步的，由此微纳米纤维直接干燥获得的膜材料展现出优秀的力学性质(图3)，其中，蚕丝微米纤维膜的断裂伸长率约20％，杨氏模量约3.8GPa，极限强度约70MPa；蚕丝纳米纤维膜的断裂伸长率约8％，杨氏模量约1.8GPa，极限强度约41MPa；均优于现有文献报道(例如AdvMater 2014,26,4569等)。

实施例2

以桑蚕蚕茧为例，进行绿色、低成本蚕丝蛋白微纳米纤维的可控制备：

将市售桑蚕蚕茧用剪刀剪成面积约为1cm²的碎片，称取1g，加至500g、6.0M的尿素溶液中，并转移到密闭容器里。将盛有上述混合液的密闭容器置于25℃水浴中，在20rpm转速下搅拌30天；将反应液转移到50mL离心管中，在8000rpm下离心5min。离心结束后，将上清液(含6.0M尿素)回收，实现溶剂的重复利用；将下层沉淀分散到纯水中，以8000rpm转速离心5min洗涤5次；将离心洗涤后的沉淀分散在纯水中，在300W功率下超声分散3分钟，获得蚕丝微纳米纤维的初级产物。

将初级产物以9000rpm转速离心3min，收集上清液，获得平均直径为25±6nm的蚕丝蛋白纳米纤维；收集下层沉淀，再次分散到纯水中，以5000rpm转速离心3min，收集上清液，获得平均直径为240±29nm的蚕丝蛋白纳米纤维，完成桑蚕丝微纳米纤维的可控制备。

实施例3

以柞蚕蚕茧为例，进行绿色、低成本蚕丝蛋白微纳米纤维的可控制备：

将购于市面的柞蚕蚕茧剪成面积约为1cm²的碎片，称取1g，加入到500g、10M的尿素溶液中，将上述混合物转移到密闭容器中，并置于70℃油浴中，在20rpm转速下搅拌3天；将反应液转移到50mL离心管中，在8000rpm下离心5min。离心结束后，上清液(含10M尿素)回收，实现溶剂的重复利用；将下层沉淀分散到纯水中，以8000rpm转速离心5min洗涤5次；将离心洗涤后的沉淀分散在纯水中，在300W功率下超声分散3分钟，获得柞蚕丝微纳米纤维的初级产物。

将初级产物以9000rpm转速离心3min，收集上清液，获得平均直径为23±9nm的蚕丝蛋白纳米纤维；收集下层沉淀，再次分散到纯水中，以5000rpm转速离心3min，收集上清液，获得平均直径为255±36nm的蚕丝蛋白纳米纤维，完成柞蚕丝微纳米纤维的可控制备。

Claims (7)

1.一种蚕丝蛋白微纳米纤维的可控制备方法，其特征在于：将天然蚕茧加至尿素的水溶液中，在10-1000rpm的搅拌速度、5-80℃温度下，反应0.5-90天；反应后离心沉淀分散于水中，反复离心洗涤，超声分散，获得初级产物；而后通过改变初级产物的离心速率，获得不同粒径的蚕丝蛋白微纳米纤维。

2.按权利要求1所述的蚕丝蛋白微纳米纤维的可控制备方法，其特征在于：所述蚕茧为常见蚕茧中的一种或几种。桑蚕、柞蚕、天蚕、蓖麻蚕、柳蚕等的一种或几种。

3.按权利要求1所述的蚕丝蛋白微纳米纤维的可控制备方法，其特征在于：所述所用的尿素水溶液的摩尔浓度为1-20 M，蚕茧在体系中的终浓度为0.01-1.0wt％。

4.按权利要求1所述的蚕丝蛋白微纳米纤维的可控制备方法，其特征在于：所述将蚕茧与尿素反应后的反应液以8000-10000rpm的离心速率，进行离心5-10次，每次离心时间为3-10min，收集离心后的下层沉淀并再分散在水中，在100-400 W功率下超声分散0.2-10min，即为初级产物。

5.按权利要求1或4所述的蚕丝蛋白微纳米纤维的可控制备方法，其特征在于：所述蚕茧与尿素反应后的反应液首次离心收集的离心上清液，可作为溶剂套用于与蚕茧反应中。

6.按权利要求1所述的蚕丝蛋白微纳米纤维的可控制备方法，其特征在于：所述将初级产物在8000-12000rpm的离心速率下，获得平均直径为27±8nm的蚕丝蛋白纳米纤维分散液；控制离心速率为4000-5000rpm，获得平均直径为246±40nm的蚕丝蛋白微米纤维分散液。

7.按权利要求1或6所述的蚕丝蛋白微纳米纤维的可控制备方法，其特征在于：所述分离获得平均直径为27±8nm的蚕丝蛋白纳米纤维，其纤维直径分布为10-100nm；平均直径为246±40nm的蚕丝蛋白微米纤维，其纤维直径分布为100-1000nm。