CN110551303A - 一种酶法制备柔性导电丝素蛋白膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种酶法制备柔性导电丝素蛋白膜的方法，通过丝素与含氨基的聚乙二醇反应，改善丝素膜的柔顺性；再以漆酶催化氧化吡咯自聚和与丝素蛋白中酪氨酸接枝聚合，赋予丝素膜导电性，制备柔性导电丝素蛋白膜材料。具体包括以下步骤：(1)丝素蛋白接枝端基含氨基的聚乙二醇；(2)漆酶催化吡咯自聚和与丝素蛋白接枝聚合；(3)柔性导电膜丝素蛋白膜成型。与通过共混法或化学引发法制备丝素导电膜材料相比，本发明具有酶催化效率高、反应条件缓和、丝素膜柔性和导电性能改善明显的优点。

Description

一种酶法制备柔性导电丝素蛋白膜的方法
技术领域
本发明涉及一种酶法制备柔性导电丝素蛋白膜的方法，属于纺织生物技术领域。
背景技术
丝素蛋白是蚕丝的主要成分，由18种氨基酸组成，其中多数为极性较低的乙氨酸和丙氨酸链段，其余主要由极性氨基酸组成，包括含羧基的谷氨酸和天门冬氨酸、含酚羟基的酪氨酸等。丝素蛋白有良好的生物相容性，以丝素为原料加工的膜材料具有无毒、无刺激性、吸湿性优良等特点。丝素膜制备中，其材料的成型效果和结构稳定性取决于丝素蛋白大分子，一般室温条件下风干制得的纯丝素膜材料硬而脆，弹性较差，电阻也较高。为改善丝素膜的性能(如柔顺性、导电性)，拓展丝素蛋白膜在包括可穿戴电子器件在内的柔性导电材料领域的应用，需对丝素蛋白进行改性加工。
低分子量的聚乙二醇(简称PEG)有较好的增塑效果，通过与丝素蛋白共混能改善成型膜材料的柔顺性，使丝素膜断裂伸长率增加，刚性降低，柔顺性改善。共混法掺入PEG能改进丝素膜的柔顺性，其缺点是膜材料的PEG在水中易溶失，造成水浸渍后的丝素膜柔顺性下降，膜材料断裂延伸率变小。若采用含有氨基的PEG进行丝素改性，使之接枝在丝素蛋白大分子上，则制备的丝素膜能获得较持久的柔顺性。
导电丝素膜制备中，可采用的方法包括共混法、化学引发法和酶催化改性法。共混法应用简便，通过丝素蛋白与导电高分子共混后再铺膜，达到制备导电丝素膜的目的，其缺点是成品中导电高分子在材料中均质化分布的效果不理想，材料电阻大。化学引发法应用较多，其原理是借助过硫酸盐，引发丝素溶液中溶解的吡咯或苯胺等单体聚合，形成丝素/聚吡咯或丝素/聚苯胺的复合膜材料。这类方法也存在一定的不足，包括化学引发剂在膜材料中残留、降低材料生物安全性等。近年来，借助酶法制备丝素导电膜研究受到重视。与化学引发剂相比，不仅处理条件温和，酶本身也属于蛋白类分子，因此对丝素蛋白材料的生物安全性影响较小。
为解决上述问题，根据丝素蛋白中含较多羧基的特点，可借助1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺(EDC/NHS)，将低分子量端基含氨基的聚乙二醇接枝到丝素分子上，改善丝素蛋白膜的柔顺性。以漆酶催化丝素和吡咯混合溶液时，漆酶有三方面作用：(1)催化氧化吡咯聚合，形成有导电效果的聚吡咯大分子；(2)催化氧化丝素蛋白大分子间发生交联；(3)催化氧化丝素蛋白中酪氨酸产生醌类活性基，引发丝素与吡咯分子发生接枝聚合，形成与丝素相连接的聚吡咯大分子，提高丝素膜材料导电效果的持久性。这一思路为力学性能和导电性能优良的柔性导电丝素蛋白膜的制备提供了新方法。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种酶法制备柔性导电丝素蛋白膜材料的方法，使用本发明可制备柔性力学性能好、导电性能优良、导电效果持久的丝素蛋白膜材料。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种酶法制备柔性导电丝素蛋白膜材料的方法，先借助1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺，将端基含氨基的聚乙二醇接枝到丝素蛋白分子上；再借助于漆酶，催化氧化吡咯自聚和吡咯与丝素蛋白分子接枝聚合，制备导电丝素蛋白膜材料。
一种酶法制备柔性导电丝素蛋白膜材料的方法，包括如下步骤：
(1)丝素蛋白接枝端基含氨基的聚乙二醇：将丝素蛋白、端基含氨基的聚乙二醇、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺同浴反应，反应后将上述混合溶液以去离子水透析24小时，去除1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺、未反应的端基含氨基的聚乙二醇；然后在-50℃冷冻干燥，得到改性后的丝素蛋白；
(2)漆酶催化吡咯自聚和与丝素蛋白接枝聚合：在经步骤(1)改性后的丝素蛋白和吡咯混合溶液中加入漆酶，催化吡咯自聚和吡咯与丝素蛋白分子接枝聚合；
(3)柔性导电膜丝素蛋白膜成型：将步骤(2)处理后的混合溶液倒入聚四氟乙烯的模具中，在25℃条件下干燥成型。
步骤(1)中，所述反应处方组成为：丝素蛋白20～40g/L，分子量为400～600、端基含氨基的聚乙二醇5～10g/L，1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐2.5～5g/L，N-羟基琥珀酰亚胺2.5～5g/L；反应条件：pH 5～7，温度25～40℃，时间4～24小时；
步骤(2)中，所述反应处方组成为：吡咯20～40g/L，改性后的丝素蛋白20～40g/L，漆酶0.2～1U/mL；反应条件：pH 4.5～6，温度25～50℃，时间8～12小时。
上述酶法制备透明质酸基导电膜材料的方法制备得到的透明质酸基导电膜材料在本发明的保护范围之内。
有益效果：
与共混法或化学引发法制备柔性导电丝素膜材料相比，本发明有以下优点：
(1)酶催化效率高，漆酶不仅可催化丝素蛋白分子间交联，增加丝素膜材料强度，而且漆酶可催化吡咯聚合，促进丝素中酪氨酸与吡咯接枝聚合，增加丝素膜导电效果，酶促反应具有专一性强、反应效率高的优点；
(2)反应条件缓和，在低温近中性条件下，先通过接枝含氨基的PEG进行丝素蛋白分子修饰，透析去除残余的低分子反应物后，再借助酶法催化吡咯聚合，赋予丝素膜导电性能，避免了化学交联剂和化学引发剂残留对膜材料生物安全性的不利影响；
(3)力学性能和导电性能改善明显，漆酶可催化丝素蛋白交联、同时催化丝素与吡咯接枝聚合，膜材料的断裂强度和断裂伸长率增加，获得较好的柔性；经水中浸渍后，膜材料仍有较好的柔性和导电效果。
具体实施方式
一种酶法制备柔性导电丝素蛋白膜材料的方法，先借助1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺，将端基含氨基的聚乙二醇接枝到丝素蛋白分子上；再借助于漆酶，催化氧化吡咯自聚和吡咯与丝素蛋白分子接枝聚合，制备导电丝素蛋白膜材料。具体实施例如下：
实施例1
(1)丝素蛋白接枝端基含氨基的聚乙二醇：将丝素蛋白、端基含氨基的聚乙二醇、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺同浴反应，反应后将上述混合溶液以去离子水透析24小时，去除1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺、未反应的端基含氨基的聚乙二醇；然后在-50℃冷冻干燥，得到改性后的丝素蛋白；
(2)漆酶催化吡咯自聚和与丝素蛋白接枝聚合：在经步骤(1)改性后的丝素蛋白和吡咯混合溶液中加入漆酶，催化吡咯自聚和吡咯与丝素蛋白分子接枝聚合；
(3)柔性导电膜丝素蛋白膜成型：将步骤(2)处理后的混合溶液倒入聚四氟乙烯的模具中，在25℃条件下干燥成型。
步骤(1)中，所述反应处方组成为：丝素蛋白20g/L；分子量为400、端基含氨基的聚乙二醇5g/L，1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐2.5g/L，N-羟基琥珀酰亚胺2.5g/L；反应条件：pH 5，温度25℃，时间4小时；
步骤(2)中，所述反应处方组成为：吡咯20g/L，改性后的丝素蛋白20g/L，漆酶0.2U/mL；反应条件：pH 4.5，温度25℃，时间8小时。
试样1：将20g/L吡咯和0.2U/mL漆酶混合，在pH 4.5、25℃处理8小时，然后在100℃灭酶10min后冷却；再在该体系中加入丝素蛋白，控制其浓度为20g/L；最后经步骤(3)进行丝素蛋白膜成型；
试样2：在20g/L丝素蛋白中加入分子量为400、不含氨基的聚乙二醇，控制聚乙二醇浓度为5g/L；然后经步骤(2)和(3)处理；
试样3：经步骤(1)、(2)和(3)处理。
采用条样法测试上述膜材料的断裂强度和断裂延伸度，采用四探针法测定膜材料的电阻值。其中，试样1、试样2和试样3的断裂强度分别为11.5MPa、13.8MPa、14.1MPa，断裂伸长率分别为5.5％、24.9％、22.5％，电阻值分别为220MΩ、25MΩ和22MΩ；分别将上述膜材料在25℃水中浸渍6h后，再次在25℃条件下干燥，测得试样1、试样2和试样3的断裂强度分别为7.0MPa、12.8MPa、13.9MPa，断裂伸长率分别4.6％、10.2％、21.8％，电阻值分别为400MΩ、31MΩ和25MΩ。
实施例2
(1)丝素蛋白接枝端基含氨基的聚乙二醇：将丝素蛋白、端基含氨基的聚乙二醇、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺同浴反应，反应后将上述混合溶液以去离子水透析24小时，去除1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺、未反应的端基含氨基的聚乙二醇；然后在-50℃冷冻干燥，得到改性后的丝素蛋白；
(2)漆酶催化吡咯自聚和与丝素蛋白接枝聚合：在经步骤(1)改性后的丝素蛋白和吡咯混合溶液中加入漆酶，催化吡咯自聚和吡咯与丝素蛋白分子接枝聚合；
(3)柔性导电膜丝素蛋白膜成型：将步骤(2)处理后的混合溶液倒入聚四氟乙烯的模具中，在25℃条件下干燥成型。
步骤(1)中，所述反应处方组成为：丝素蛋白40g/L；分子量为600、端基含氨基的聚乙二醇10g/L，1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐5g/L，N-羟基琥珀酰亚胺5g/L；反应条件：pH 7，温度40℃，时间24小时；
步骤(2)中，所述反应处方组成为：吡咯40g/L，改性后的丝素蛋白40g/L，漆酶1U/mL；反应条件：pH 6，温度50℃，时间12小时。
试样4：将40g/L吡咯和1U/mL漆酶混合，在pH 6、50℃处理12小时，然后在100℃灭酶10min后冷却；再在该体系中加入丝素蛋白，控制其浓度为40g/L，并按步骤(3)制膜；
试样5：在40g/L丝素蛋白中加入分子量为600、不含氨基的聚乙二醇，控制聚乙二醇浓度为10g/L；然后经步骤(2)和(3)处理；
试样6：经步骤(1)、(2)和(3)处理。
采用条样法测试上述膜材料的断裂强度和断裂延伸度，采用四探针法测定膜材料的电阻值。其中，试样4、试样5和试样6的断裂强度分别为13.7MPa、15.2MPa、17.1MPa，断裂伸长率分别为5.0％、32.9％、30.5％，电阻值分别为103MΩ、20MΩ和19MΩ。分别将上述膜材料在25℃水中浸渍6h后，再次在25℃条件下干燥，测得试样4、试样5和试样6的断裂强度分别为9.2MPa、14.7MPa、16.9MPa，断裂伸长率分别为4.2％、12.2％、29.1％，电阻值分别为350MΩ、25MΩ和20MΩ。
通过对实施例数据分析：
当不添加聚乙二醇、丝素蛋白未经漆酶处理，仅与聚吡咯混合时，膜材料(试样1、试样4)强度较低、断裂延伸度较小，电阻较大；经水中浸渍后丝素蛋白膜强度下降，电阻显著增加，表明丝素蛋白膜中聚吡咯流失较多，膜材料导电性能较差；
当添加不含氨基的聚乙二醇，丝素蛋白与吡咯和漆酶同浴反应后，膜材料(试样2、试样4)强度增加，断裂延伸度增加，电阻降低；但经水中浸渍后，试样的断裂延伸度下降，表明有聚乙二醇溶失，使膜材料柔顺性变差，导电性能略有下降；
当经步骤(1)、(2)和(3)处理后，丝素蛋白膜(试样3、试样6)断裂强度最大，断裂延伸度较高，电阻最低；经水中浸渍后，膜材料断裂强度、断裂延伸度和电阻变化不明显，表明：端基含氨基的聚乙二醇与丝素交联后，使膜材料获得持久柔顺性；漆酶催化丝素蛋白分子交联使膜材料强度增加，漆酶催化吡咯与丝素接枝聚合，使膜材料获得较持久的导电效果。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (7)

1.一种酶法制备柔性导电丝素蛋白膜材料的方法，先利用1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺将端基含氨基的聚乙二醇接枝到丝素蛋白分子上；再利用漆酶催化氧化吡咯自聚和吡咯与丝素蛋白分子接枝聚合，制备得到导电丝素蛋白膜材料。
2.根据权利要求1所述酶法制备柔性导电丝素蛋白膜材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)丝素蛋白接枝端基含氨基的聚乙二醇：将丝素蛋白、端基含氨基的聚乙二醇、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺同浴反应，反应后将上述混合溶液以去离子水透析24小时，去除1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺、未反应的端基含氨基的聚乙二醇然后在-50℃冷冻干燥，得到改性后的丝素蛋白；
(2)漆酶催化吡咯自聚和与丝素蛋白接枝聚合：在经步骤(1)改性后的丝素蛋白加入吡咯溶液中，再加入漆酶，催化吡咯自聚和吡咯与丝素蛋白分子接枝聚合；
(3)柔性导电膜丝素蛋白膜成型：将步骤(2)处理后的混合溶液倒入聚四氟乙烯的模具中，在25℃条件下干燥成型。
3.根据权利要求2所述酶法制备透明质酸基导电膜材料的方法，其特征在于，步骤(1)中，丝素蛋白含量为20～40g/L，丝素蛋白的分子量为400～600；端基含氨基的聚乙二醇浓度为5～10g/L；1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐浓度为2.5～5g/L；N-羟基琥珀酰亚胺浓度为2.5～5g/L。
4.根据权利要求2所述酶法制备透明质酸基导电膜材料的方法，其特征在于，步骤(1)中，反应条件如下：pH 5～7，温度25～40℃，时间4～24小时。
5.根据权利要求2所述酶法制备透明质酸基导电膜材料的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述改性后的丝素蛋白加入量为20～40g/L，吡咯浓度为20～40g/L，漆酶0.2～1U/mL。
6.根据权利要求2所述酶法制备透明质酸基导电膜材料的方法，其特征在于，步骤(2)中，催化反应条件为：pH 4.5～6，温度25～50℃，时间8～12小时。
7.权利要求1～6任一所述酶法制备透明质酸基导电膜材料的方法制备得到的透明质酸基导电膜材料。
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