CN114249982A

CN114249982A - 高强高模蚕丝材料的制备方法及应用

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Publication number: CN114249982A
Application number: CN202210085282.4A
Authority: CN
Inventors: 张强; 何俐; 闫书芹; 罗祖维; 尤仁传; 黄颖
Original assignee: Wuhan Textile University
Current assignee: Wuhan Textile University
Priority date: 2022-01-25
Filing date: 2022-01-25
Publication date: 2022-03-29
Anticipated expiration: 2042-01-25
Also published as: CN114249982B

Abstract

本发明提供了一种高强高模蚕丝材料的制备方法，通过将蚕茧脱胶处理后得到丝素纤维，再制备出丝素蛋白溶液；同时，将丝素纤维处理成丝素纳米纤维；将丝素纳米纤维加入到丝素蛋白溶液中，得到丝素蛋白溶液和丝素纳米纤维的混合液；然后，在低温条件下对上述混合液进行透析干燥处理，制得蚕丝材料。本发明制得的蚕丝材料具有高强度、高模量、良好的生物相容性以及生物可降解性等特点，且材料内部的丝素纳米纤维分布均匀；基于同质增强的原理，向丝素蛋白溶液中加入天然丝素纳米纤维制得蚕丝材料的方式，可充分利用天然丝素纳米纤维的强度和模量优势，本方法具有操作简单、工艺时间短以及过程可控的优点，所得的高性能蚕丝材料可加工成生物医学材料。

Description

高强高模蚕丝材料的制备方法及应用

技术领域

本发明涉及生物医学材料技术领域，尤其涉及一种高强高模蚕丝材料的制备方法及其应用。

背景技术

骨钉是骨折及骨再生中使用的关键三类医疗器械，尽管传统的金属材料骨钉在临床上获得了较好效果，但是仍存在弹性模量不匹配、应力屏蔽效应、易腐蚀、生物毒性等问题，需要二次手术取出，大大增加了患者的痛苦和经济负担。而合成高分子制成的可生物降解的骨钉，因其强度不足和降解产物不良，其广泛使用也受到了极大限制，目前尚无安全有效的材料用于体内骨组织骨钉和再生。因此，迫切需要寻找新的切实有效、安全无毒的人工骨钉材料。使用聚乳酸(PLA)、聚乙交酯-丙交酯(PLGA)或与其性质相似的合成高聚物替换金属合金。但临床使用和研究发现，PLA、PLGA在I 型断裂行为上表现出相对脆性，经常与其他可生物降解或不可降解的聚合物混合以提高其断裂性能。在一些现有的应用中，PLA部件由于动态机械输入而表现出累积的永久变形，从而导致部件松弛而失效。PLA因其酸性降解产物，影响骨细胞的生长发育，不利于骨组织重建、且易造成骨溶解和持续炎症反应。

丝素蛋白由于其良好的生物相容性、生物降解性以及优异的力学性能，且不易引起异体反应，已广泛应用于生物医学材料领域。中国专利申请号 201510766615.X，公开日期2020年6月23日，名称为“一种蚕丝蛋白骨钉及其制备方法”的发明中提供一种蚕丝蛋白硬骨钉的制备方法，通过先制备蚕丝蛋白溶液；然后将蚕丝蛋白溶液浓缩，并于模具中干燥，脱模后通过切削工艺制成蚕丝蛋白棒材；最后将蚕丝蛋白棒材切削成骨钉。中国专利申请号201810192409.6，公开日期为2018年10月13日，名称为“一种蚕丝骨钉的制备方法”的发明中提出了一种蚕丝骨钉的制备方法，该技术方案中通过将微米级丝素颗粒与氯化钙三元体系混合，得到丝素溶液，将丝素溶液倒入透析袋后置于聚乙二醇溶液中去除水分，再放入抽真空干燥炉内进行浓缩处理，将浓缩处理后的无杂质丝素溶液注入骨钉模具中用进行甲醇处理，得到成型骨钉基材。然而，上述两种技术方案中浓缩获得高浓度丝素蛋白溶液的处理过程的工艺时间较长，将丝素溶液注入模具中并进行溶剂处理的步骤工艺复杂，不易加工制造，后续处理溶剂步骤繁杂。

中国专利申请号201910245580.3，公开日期为2019年7月12日，名称为“一种基于丝素蛋白和甲壳素混纺纳米纤维嵌入式水凝胶软骨仿生支架的制备方法及应用”的发明中公开了一种基于丝素蛋白和甲壳素混纺纳米纤维嵌入式水凝胶软骨仿生支架的制备方法，该方法通过将丝素蛋白溶液和甲壳素溶液混合并利用静电纺丝技术制备混纺纳米纤维膜，经乙醇梯度交联后，由混纺纳米纤维制得短纤维，混合短纤维和丝素蛋白溶液后，经交联剂交联后冷冻成型，得到海绵状软骨仿生支架。上述技术方案中，制得软骨仿生支架所针对修复应用不同且存在需使用交联剂等问题。

有鉴于此，有必要设计一种改进的方法制备高强高模蚕丝材料，以解决上述技术方案中的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强高模蚕丝材料的制备方法及其应用。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种高强高模蚕丝材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、丝素蛋白溶液的制备：

将蚕丝经脱胶处理后，取出蚕茧充分洗涤干燥后得到丝素纤维，将所述丝素纤维溶解后制得丝素蛋白溶液；

S2、丝素纳米纤维的制备：

将步骤S1中制得的所述丝素纤维加入到DMSO/KOH混合液中进行溶胀处理一段时间，接着，加入表面电离处理液对溶胀处理后的所述丝素纤维进行表面电离处理后，于碱溶液中浸泡处理一段时间；取出处理好的所述丝素纤维清洗后，经搅拌和干燥处理即得到丝素纳米纤维；

S3、含纳米纤维的蚕丝材料的制备：

向步骤S1中制得的所述丝素蛋白溶液中加入步骤S2中制得的所述丝素纳米纤维，使所述丝素纳米纤维与所述丝素蛋白溶液混合均匀，得到混合液；然后，在低温条件下对所述混合液进行透析处理，再经干燥处理，制得含纳米纤维的高强高模蚕丝材料。

优选地，在步骤S1中，采用甲酸/CaCl₂混合液对所述丝素纤维进行溶解，所述甲酸/CaCl₂混合液中甲酸和CaCl₂的摩尔比为(1：0.01)～(1：0.08)，所述丝素纤维与所述甲酸CaCl₂混合液的质量比为(10～30)：100。

优选地，在步骤S3中，所述丝素纳米纤维与所述丝素蛋白溶液的质量比为(10～40)：100，加入的所述丝素纳米纤维的直径为200～300nm。

优选地，在步骤S2中，所述DMSO/KOH混合液中加入的所述丝素纤维的量为0.01～0.05g/mL，所述浸泡处理的温度为25～60℃，时间为0.5～1.5h；所述搅拌处理的时间为5～10min。

优选地，在步骤S2中，所述表面电离处理液的质量分数为1～7％，所述表面电离处理液为马来酸酐、叠氮化钠、溴化锂以及硫氰酸锂中的一种或几种，所述溶胀处理的时间为24h～72h。

优选地，在步骤S1中，所述丝素蛋白溶液的质量分数为10％～50％。

优选地，在步骤S3中，所述干燥处理的温度为25～60℃，时间为12～96h。

优选地，在步骤S3中，所述低温条件为0～4℃。

优选地，在步骤S1中，所述丝素纤维溶解的温度为20～50℃，时间为 0.5～3h。

特别地，应用高强高模蚕丝材料的制备方法制得的所述高强高模蚕丝材料能够加工成生物医学材料。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的高强高模蚕丝材料的制备方法中提供的CaCl₂-甲酸体系能在室温下迅速溶解蚕丝，且可以保留蚕丝的原始纤维结构，从而在保留丝素原纤优异的力学性能的同时快速制得高质量的蚕丝材料；通过向脱胶处理后制得的丝素蛋白溶液中加入丝素纳米纤维以增强蚕丝材料的强度和模量，再经简单的低温透析和干燥处理，即可制得高强度和高模量的含有纳米纤维的蚕丝材料，制备过程绿色、简单、工艺时间短以及设备简单，可实现宏量制备，具有产业化的应用价值。

2、本发明提供的高强高模蚕丝材料的制备方法，基于水溶液体系进行制备，制备过程不涉及复杂的化学反应，无副产物生成，且可通过调控试剂的含量来实现对蚕丝材料的性能进行控制。此外，本发明以丝素蛋白为原料，同时，将丝素蛋白处理得到的丝素纳米纤维作为蚕丝材料的增强基，将丝素纳米纤维加入到丝素蛋白溶液中来增强制得的蚕丝材料的强度和模量，以充分利用丝素纤维的强度和模量性质；由于丝素蛋白和丝素纳米纤维均可由蚕丝处理得到，因而制得的蚕丝材料及其加工成型得到的骨修复用医用材料，具有良好的生物相容性和生物可降解性，利于细胞附着和生长。

3、应用本发明提供的高强高模蚕丝材料的制备方法，制得的蚕丝材料内丝素纳米纤维和丝素蛋白分布均匀，蚕丝材料的强度和模量均得到较大的增强，与单纯的丝素蛋白制得的材料相比，丝素纳米纤维的引入使得蚕丝材料的强度提高了53.4％，初始模量提高了44.2％。

附图说明

图1为本发明的高强高模蚕丝材料的制备方法制得的实施例1的蚕丝材料的SEM图；

图2为本发明的实施例1制得的蚕丝材料的光学照片；

图3为本发明的实施例1至4及对比例1制得的蚕丝材料的应力应变曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本发明提供的一种高强高模蚕丝材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、丝素蛋白溶液的制备：

将蚕丝经脱胶处理后，取出蚕茧充分洗涤干燥后得到丝素纤维，将丝素纤维溶解后制得丝素蛋白溶液；

S2、丝素纳米纤维的制备：

将步骤S1中制得的丝素纤维加入到DMSO/KOH混合液中进行溶胀处理一段时间后，接着，加入表面电离处理液对溶胀处理后的丝素纤维进行表面电离处理后，于碱溶液中浸泡处理一段时间；取出处理好的丝素纤维清洗后，经搅拌和干燥处理即得到丝素纳米纤维。

S3、含纳米纤维的蚕丝材料的制备：

将步骤S1中制得的丝素蛋白溶液离心除去聚集物和气泡后，加入丝素纳米纤维，使丝素纳米纤维与丝素蛋白溶液混合均匀，得到丝素蛋白溶液和丝素纳米纤维的混合液；然后，在低温条件下对上述混合液进行透析处理，再经干燥处理，制得含纳米纤维的蚕丝材料。

具体地，在步骤S1中，脱胶处理包括如下步骤：

S11、将100g蚕丝浸入5L质量分数为0.1～2％的碳酸钠溶液中，于 98～100℃的环境下煮沸处理30min，每次煮沸后将蚕茧取出并用去离子水洗净；

S12、将步骤S11中洗净的蚕茧加至新配置的5L质量分数为0.1～2％的碳酸钠溶液中，于98～100℃的环境下煮沸处理30min。

其中，丝素纤维溶解所采用的溶剂为甲酸和CaCl₂的摩尔比为(1：0.01) ～(1：0.08)的甲酸/CaCl₂混合液，加入的丝素纤维与甲酸/CaCl₂混合液的质量比为(10～30)：100，此时丝素纤维在混合液中可充分溶解；溶解的温度为20～50℃，溶解时间为0.5～3h，制得的丝素蛋白溶液的质量分数为10％～50％。

具体地，在步骤S2中，DMSO/KOH混合液中加入的丝素纤维的量为 0.01～0.05g/mL，溶胀处理的时间为24h～72h；表面电离处理液的质量分数为 1～7％，表面电离处理液为马来酸酐、叠氮化钠、溴化锂以及硫氰酸锂中的一种或几种，碱溶液浸泡的温度为25～60℃，时间为1h；搅拌处理时间为 5～10min。

具体地，在步骤S3中，加入的丝素纳米纤维与丝素蛋白溶液的质量比为(10～40)：100；透析处理的低温条件为0～4℃，透析时间为72h；干燥处理的温度为60℃，处理时间为48h。

下面结合具体的实施例对本发明的高强高模蚕丝材料的制备方法进行说明：

实施例1

S1、丝素蛋白溶液的制备：

将100g蚕丝浸入5L质量分数为0.1％的碳酸钠溶液中，于100℃的环境下煮沸处理30min，每次煮沸后将蚕茧取出并用去离子水洗净，然后再将蚕茧加至5L质量分数为0.1％的碳酸钠溶液中，于100℃的环境下煮沸处理30 min，重复上述步骤三次，直至使蚕茧脱胶完全，充分洗涤干燥后制得丝素纤维。然后，将处理好的丝素纤维浸入到摩尔比为1：0.045的甲酸/CaCl₂的混合液中，其中，丝素纤维与混合液的质量比为20：100，接着，在25℃的条件下，静置45min，使丝素纤维充分溶解后制得丝素蛋白溶液。

S2、丝素纳米纤维的制备：

将步骤S1中制得的丝素纤维按0.02g/mL的加入量添加到DMSO/KOH 混合液中，溶胀处理72h后，在45℃的条件下，加入质量分数为5％的马来酸酐处理后加入碱溶液浸泡1h，取出丝素纤维清洗后，经搅拌处理10min后干燥处理即得到丝素纳米纤维。

S3、含纳米纤维的蚕丝材料的制备：

在25℃的条件下，将步骤S1中制得的丝素蛋白溶液离心除去聚集物和气泡后，向丝素蛋白溶液中加入步骤S2中制得的丝素纳米纤维，加入的丝素纳米纤维与丝素蛋白溶液的质量比为10：100，得到丝素蛋白溶液和丝素纳米纤维的混合液；然后，在4℃的条件下对上述混合液透析处理72h，诱导丝素蛋白发生结构转变；透析结束后，将溶液置于60℃烘箱中干燥处理48h，制得含纳米纤维的蚕丝材料，蚕丝材料的SEM图如图1所示，从图中可以看到材料内部丝素纳米纤维仍维持其纤维状结构，且丝素蛋白和丝素纳米纤维在材料中均匀分布；蚕丝材料的光学照片如图2所示，结果表明制得的蚕丝材料可被加工成型。

制得的蚕丝材料可进一步加工成型成骨钉、骨板及其他生物医学材料，将成型材料进行灭菌处理后，密封储存于无菌环境或直接用于临床手术。

实施例2至4

实施例2至4与实施例1的区别仅在于：步骤S3中加入的丝素纳米纤维与丝素蛋白溶液的质量比不同，其他步骤与实施例1基本相同，在此不再赘述。

对比例1

对比例1与实施例1的区别仅在于：步骤S3中不加入丝素纳米纤维，其他步骤与实施例1基本相同，在此不再赘述。实施例1至4以及对比例1 中丝素纳米纤维与丝素蛋白溶液的质量比设置及制得的蚕丝材料的应力应变曲线如图3所示，图中NSF-0％表示单纯的丝素蛋白制得的蚕丝材料，NSF-10％、NSF-20％、NSF-30％、NSF-40％分别表示蚕丝材料中丝素纳米纤维与丝素蛋白溶液的质量比为10：100、20：100、30：100、40：100。

从图3中的实验结果可知，当丝素纳米纤维与丝素蛋白溶液的质量比从 10：100增至40：100，制得的蚕丝材料的抗压屈服强度整体呈上升的趋势，弹性模量整体呈下降趋势。结果表明，当丝素纳米纤维与丝素蛋白溶液的质量比为10：100时，制得的蚕丝材料的性能最佳，与单纯的丝素纳米纤维制得的材料相比，丝素纳米纤维的引入使得蚕丝材料的强度提高了53.4％，初始模量提高了44.2％，即，加入适量的丝素纳米纤维可提升蚕丝材料的压缩强度和韧性。

对比例2

对比例2与实施例1的区别仅在于：改变了步骤S2中丝素纳米纤维的制备方法，对比例2中的丝素纳米纤维采用如下方法进行制备：

将脱胶处理后得到的丝素纤维溶于有机溶剂六氟异丙醇(HFIP)中，使丝素纤维充分溶解后得到质量分数为6％的丝素蛋白溶液；接着，丝素蛋白溶液通过静电纺丝制得丝素纳米纤维，静电纺丝的条件为电压16kV，流速 0.8mL/h，接收器与针头距离15cm，相对温度和相对湿度分别为25℃和50％，将制得的纳米纤维在真空干燥箱中干燥72h以去除残留的HFIP。经乙醇梯度交联后增加其水不溶性，梯度乙醇交联条件为：100％乙醇浸泡中10min，90％乙醇中浸泡10min，70％乙醇中浸泡10min。去离子水充分洗涤以除去乙醇，制得所需的丝素纳米纤维。

对比例2的其他步骤与实施例1基本相同，在此不再赘述。

在上述制备过程中，丝素纳米纤维的制备工艺繁琐、制备周期长，且需使用有毒溶剂HFIP和有机交联剂乙醇，后续处理溶剂的步骤增加了制备丝素纳米纤维的难度。此外，本发明制得的蚕丝材料的强度与对比例2中制得的蚕丝材料在生物相容性、强度和模量上存在较大差异，这主要是因为对比例2中的制备方法未能获得高浓度丝素蛋白溶液，且基于再生丝素蛋白制备丝素纤维时，丝素蛋白的天然层级结构被破坏，也会导致最终制得的蚕丝材料的力学性能大幅度降低，致使两种方法制得的蚕丝材料在性能上存在较大差异。

下面对高强高模蚕丝材料的形成机理进行说明：

将蚕茧经脱胶处理得到的丝素纤维溶解在摩尔比为1：0.045的甲酸 /CaCl₂混合液中，当丝素纤维与混合液的质量比为20：100时，丝素纤维可在混合液中充分且快速溶解，得到丝素蛋白溶液；然后，向上述丝素蛋白溶液中加入由丝素纤维处理得到的丝素纳米纤维，得到均匀的丝素蛋白和丝素纳米纤维的混合液；在0～4℃的条件下，对上述共混液进行透析处理，透析过程中丝素蛋白的结构从无规结构向β-sheet结构转变，经60℃干燥处理48h 后可得到高强度、高模量的蚕丝材料，这主要是因为，丝素纤维本身具有较高的强度和柔韧性，而丝素纳米纤维的引入，可进一步提升制得的蚕丝材料的强度和模量。

综上所述，本发明提供的高强高模蚕丝材料的制备方法，该方法通过先将蚕丝进行脱胶处理后，溶解得到丝素蛋白溶液，同时，将脱胶处理后得到的丝素纤维处理成丝素纳米纤维；再向上述丝素蛋白溶液中加入丝素纳米纤维，以增强蚕丝材料的强度和模量，经烘干处理，即可制得含纳米纤维的高强高模蚕丝材料。该方法以来源广泛且来源相同的丝素蛋白和丝素纳米纤维为原料，并在保留丝素原纤优异力学性能的同时制备出丝素纳米纤维，制得的蚕丝材料利于细胞附着和生长，且具有高强度、高模量、良好的生物相容性和生物降解性。此外，该方法只需在水溶液体系中发生即可，制备过程绿色、简单、工艺时间短以及设备简单，可实现宏量制备，具有产业化的应用价值。

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。

Claims

1.一种高强高模蚕丝材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、丝素蛋白溶液的制备：

S2、丝素纳米纤维的制备：

S3、含纳米纤维的蚕丝材料的制备：

2.根据权利要求1所述的高强高模蚕丝材料的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，采用甲酸/CaCl₂混合液对所述丝素纤维进行溶解，所述甲酸/CaCl₂混合液中甲酸和CaCl₂的摩尔比为(1：0.01)～(1：0.08)，所述丝素纤维与所述甲酸/CaCl₂混合液的质量比为(10～30)：100。

3.根据权利要求1所述的高强高模蚕丝材料的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述丝素纳米纤维与所述丝素蛋白溶液的质量比为(10～40)：100，加入的所述丝素纳米纤维的直径为200～300nm。

4.根据权利要求1所述的高强高模蚕丝材料的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述DMSO/KOH混合液中加入的所述丝素纤维的量为0.01～0.05g/mL，所述浸泡处理的温度为25～60℃，时间为0.5～1.5h；所述搅拌处理的时间为5～10min。

5.根据权利要求1所述的高强高模蚕丝材料的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述表面电离处理液的质量分数为1～7％，所述表面电离处理液为马来酸酐、叠氮化钠、溴化锂以及硫氰酸锂中的一种或几种，所述溶胀处理的时间为24h～72h。

6.根据权利要求1所述的高强高模蚕丝材料的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述丝素蛋白溶液的质量分数为10％～50％。

7.根据权利要求1所述的高强高模蚕丝材料的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述干燥处理的温度为25～60℃，时间为12～96h。

8.根据权利要求1所述的高强高模蚕丝材料的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述低温条件为0～4℃。

9.根据权利要求1所述的高强高模蚕丝材料的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述丝素纤维溶解的温度为20～50℃，时间为0.5～3h。

10.一种权利要求1～9中任一权利要求所述的制备方法制得的高强高模蚕丝材料的应用，其特征在于，所述高强高模蚕丝材料能够加工成生物医学材料。