絲素蛋白纖維提取技術(shù)的研究

　　摘要： 絲素蛋白(SF)以其優(yōu)異的性能，如較好的生物相容性、生物降解性和機(jī)械性能等，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。天然的SF需要經(jīng)過(guò)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(shù)會(huì)對(duì)SF結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)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(yī)用材料提供較高性能的SF。本研究從化學(xué)、物理和生物技術(shù)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(shù)，以期獲得高純度、表面光滑、可降解性好和機(jī)械性能優(yōu)異的SF，制備出SF新型材料，為SF在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用提供較好的前期研究基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞： 絲素蛋白纖維;絲膠蛋白;脫膠方法;生物醫(yī)用材料;機(jī)械性能

　　蠶絲是天然的纖維材料。無(wú)論何種類別的蠶絲，一般均由質(zhì)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(zhì)。早期蠶絲常被用在紡織領(lǐng)域上，隨著新材料的開(kāi)發(fā)和利用，蠶絲在軍工、制藥、生物醫(yī)藥材料領(lǐng)域上也逐漸展現(xiàn)出其優(yōu)異的特性，尤其是蠶絲中的SF，其具有良好的力學(xué)性能、生物相容性、抗菌性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它的物理和生物學(xué)特性也優(yōu)于絲膠。因此，人們對(duì)SF的研究越來(lái)越深入，從制備方法到將其復(fù)合制備成新材料，無(wú)一不體現(xiàn)出它優(yōu)異的特性，如將SF制成粉末[1]、凝膠[2]、薄膜狀[3]，通過(guò)靜電紡絲制成SF纖維膜[4]，也制備成SF纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[5]等。在生物醫(yī)療領(lǐng)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(jīng)導(dǎo)管[10]等。

　　脫膠是一種表面改性手段，可通過(guò)改變脫膠手段、調(diào)節(jié)脫膠參數(shù)等，利于保存SF完好的結(jié)構(gòu)和性能，開(kāi)發(fā)出具備獨(dú)特的生物降解性、良好的機(jī)械性能的新型生物醫(yī)用材料。而如何在無(wú)殘留絲膠的同時(shí)，不損傷SF本身結(jié)構(gòu)和性能，是蠶絲脫膠的首要問(wèn)題。脫膠的實(shí)驗(yàn)方法及工藝參數(shù)直接影響SF的特性，如脫膠過(guò)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(jié)闡述脫膠方案，主要從化學(xué)、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(jī)酸、離子液體、高溫高壓、超聲波、微波和酶等脫膠方法(圖1)。無(wú)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(lái)，但是不同的脫膠方法對(duì)SF的生物醫(yī)用會(huì)產(chǎn)生不同的影響。本文在SF制備方法上進(jìn)行合理闡述，以便在生物醫(yī)用材料領(lǐng)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(qiáng)堿性電解水(SAEW)、皂堿和尿素脫膠等，影響其脫膠的工藝參數(shù)主要有時(shí)間、溫度和脫膠劑的濃度，它們對(duì)SF影響對(duì)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(huì)發(fā)生熱降解和水解，所以脫膠溫度不易過(guò)高，一般不超過(guò)100 ℃(沸水點(diǎn));且溫度不低于60 ℃，否則脫膠過(guò)程無(wú)法完成。強(qiáng)堿(Na2CO3/NaOH)處理對(duì)SF腐蝕性很強(qiáng)，不利于獲得較優(yōu)異的SF[11]，碳酸鈉的強(qiáng)堿性會(huì)破壞SF的分子鏈，導(dǎo)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(guān)，較高的相對(duì)分子質(zhì)量顯示出高效的降解行為。采用NaHCO3脫膠會(huì)保留較高的相對(duì)分子質(zhì)量，對(duì)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(qiáng)堿性電解水(SAEW)脫膠可以穩(wěn)定脫膠過(guò)程的pH值。如表1所示，當(dāng)pH值為11.5時(shí)，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(shí)間長(zhǎng)了容易變色發(fā)黃，因此不利于長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存。肥皂的蠶絲脫膠原理，即肥皂經(jīng)過(guò)水解形成堿，再與絲膠蛋白相互作用，生成溶于水的物質(zhì)。當(dāng)單獨(dú)采用帶有一定堿性的肥皂脫膠時(shí)，可以較短時(shí)間完成脫膠，且對(duì)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(duì)分子質(zhì)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(fā)現(xiàn)在相同質(zhì)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(duì)分子質(zhì)量更高。尿素也分堿性和非堿性，當(dāng)采用非堿性尿素，得到相對(duì)分子質(zhì)量較高的SF，有較好的生物降解性，但對(duì)SF有一定的損傷[18]。由表1可見(jiàn)，其脫膠率相對(duì)偏高，SF部分被脫掉，可能是由于其水解等因素引起。但當(dāng)非堿尿素和肥皂脫膠相比，脫膠后SF相對(duì)分子質(zhì)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(jī)酸(如琥珀酸、檸檬酸、蘋(píng)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(jī)酸得到的SF纖維表面更光滑，穩(wěn)定性更好[24]。然而與大多數(shù)堿處理一樣，隨著酸性強(qiáng)弱變化，SF仍然易受到攻擊，例如琥珀強(qiáng)酸與檸檬弱酸相比，前者對(duì)SF的損傷性更大[16]。表2展現(xiàn)不同的有機(jī)酸脫膠參數(shù)及對(duì)SF產(chǎn)生的影響。相比于堿性脫膠，有機(jī)弱酸脫膠對(duì)SF纖維造成更小的損傷，在結(jié)構(gòu)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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