陈 梅，张 锋，明津法，高艳菲，左保齐

(1.现代丝绸国家工程实验室，江苏 苏州 215123；2.苏州大学 a. 纺织与服装工程学院；b. 基础医学与生物科学学院，江苏 苏州 215123)

静电纺丝素-透明质酸共混纳米纤维形态结构研究

陈 梅1,2a，张 锋2b，明津法1,2a，高艳菲1,2a，左保齐1,2a

(1.现代丝绸国家工程实验室，江苏 苏州 215123；2.苏州大学 a. 纺织与服装工程学院；b. 基础医学与生物科学学院，江苏 苏州 215123)

以甲酸为溶剂，采用静电纺丝方法制备丝素蛋白(SF)与不同相对分子质量的透明质酸(HA)共混纳米纤维，并通过扫描电镜(SEM)、红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)和热分析(TG-DTA) 研究了SF-HA共混纳米纤维非织造网的形态、结构和性能。结果表明：通过静电纺丝，丝素与低分子量的透明质酸共混纳米纤维直径在100 nm左右，纤维表面光滑，呈圆柱状；高分子量透明质酸的加入使得纤维形态变差，出现严重的粘连现象；透明质酸的加入未对丝素分子构象和结晶结构产生明显影响。

丝素蛋白；透明质酸；静电纺丝；共混纳米纤维

丝素蛋白(SF)来源于天然高分子生物材料，具有优异的力学性能、良好的生物相容性、可控的生物降解性、易加工性等特点，目前已被加工成微球、多孔支架、再生长丝、纳米纤维、水凝胶等，并用于组织修复、药物控释等领域[1-2]。透明质酸(HA)是糖胺聚糖的一种，大量存在于体内细胞外基质中，具有优异的生物相容性和可降解性。天然细胞外基质主要由蛋白和多糖组成，其中的胶原纤维是一种处于纳米和微米尺寸的复杂网络结构[3]。因此，通过静电纺丝制备类似于细胞外基质成分和结构的纳米纤维支架，并应用于组织工程领域已成为近年来研究的热点。

本研究以甲酸为溶剂，对再生SF与HA的生物相容性及可纺性进行了研究，并采用静电纺丝方法制备了SF-HA共混纳米纤维，对其形态和结构性能进行了测试分析。

1 试 验

1.1 材 料

无水碳酸钠(化学纯，上海兴达化学试剂厂)，无水溴化锂(化学纯，上海恒信化学试剂有限公司)，乙醇(分析纯，上海化学试剂二厂) ，甲酸(分析纯，天津市有机合成厂)；桑蚕丝(浙江湖州)；透明质酸(化学纯，山东福瑞达医药有限公司)。

1.2 共混测试

用日本日立S-4700型扫描电子显微镜观察纤维形态；用美国Nicolet5700型红外光谱仪测定纤维分子结构，扫描次数为32次，波数范围为4 000 cm-1～500 cm-1，光谱分辨率为4 cm-1；用荷兰PAN alytical公司的X' Pert PRO MPD X射线衍射仪测试纤维的结晶结构，CuKa靶，加速电压40 kV，电流40 mA，λ=0.154 nm；用美国PE公司的TG-DTA(PE-SII)测定纤维的热性能，氮气氛围，氮气流量20 mL/min，测试温度范围为40～500 ℃，升温速率为10 ℃/min。

1.3 静电纺丝

1.3.1 纺丝溶液的制备

将桑蚕丝于质量分数为0.5 ‰的Na2CO3水溶液(浴比1∶20)中煮沸30 min，然后用去离子水洗涤，如此反复进行3次，去除丝胶。

配制BrLi与C2H5OH为质量比40︰60的溶液，温度(80±2)℃，将脱胶后的SF溶于其中，搅拌溶解得到SF溶液。将冷却后的SF溶液装入透析袋中，用自来水流动透析2 d，再用去离子水透析1 d，得到纯SF水溶液。将SF水溶液倒入聚乙烯塑料平板上，在室温条件下干燥得到纯SF膜。

将SF膜分别和相对分子质量60 万、160 万、260 万的HA粉末以10︰1的质量比共混溶解到甲酸溶液中，在磁力搅拌器上搅拌直至两者充分溶解，得到质量分数为12 %的纺丝液。

1.3.2 纺丝过程及后处理

室温条件下，在注射器中加入SF-HA共混溶液。注射器的喷射孔径为0.8 mm，喷丝头到接收板间的距离为10 cm，高压发生器的电压为16 kV。分别对质量分数为12 %的不同相对分子质量的SF-HA共混溶液进行静电纺丝。将收集到的纳米纤维网浸渍到质量分数为75 %的乙醇溶液中，30 min后取出，在室温条件下自然晾干备用。

2 结果与讨论

2.1 形态结构分析

图1所示为SF与3种不同相对分子质量HA共混纳米纤维的扫描电镜图片。图1中，纯SF纳米纤维的平均直径为127 nm，纤维均匀性较差，乙醇处理后形态变化不大。当加入相对分子质量为60 万的HA后，纤维明显变细，平均直径为108 nm，并且纤维较为光滑，但纤维之间出现了粘连，乙醇处理后，纤维出现了收缩，直径增大。而加入相对分子质量为160 万的HA导致纤维直径增大到148 nm，纤维直径均匀，表面光滑，乙醇处理后同样出现了收缩现象。加入相对分子质量为260 万的HA后，纺丝液黏度急剧增大，纺丝困难，所纺纤维出现了严重的粘连现象，因此在后面的分析中未进行该相对分子质量的研究。

图1 SF与不同相对分子质量的HA静电纺丝纤维乙醇处理前后SEM照片Fig.1 SEM images of the SF-HA blend nano fi bers before and after dispose by Ethanol

2.2 分子构象研究(FTIR)

红外光谱是研究丝蛋白构象的简单而又常用的方法之一[4]。图2为SF-HA共混纳米纤维的红外谱图。试样2为纯SF纳米纤维，其酰胺I的吸收峰在1 659.5 cm-1对应无规构象，在1 631.3 cm-1处的一个小肩峰对应β折叠构象。HA在1 618.1 cm-1处的吸收峰为羧酸CO的反对称伸缩振动峰，1 416.3 cm-1为CO的对称伸缩振动峰，1 154 cm-1为C―O―C的反对称伸缩振动峰，1 045 cm-1为伯醇C―O伸缩振动峰，611 cm-1为N―H的弯曲及摇摆振动峰[5]。在SF中加入HA后，SF-HA共混纳米纤维在酰胺I处的吸收峰向低波数方向移动。以上结果说明静电纺SF纳米纤维以无定形或Silk I结构为主，但由于静电纺丝过程中的高倍牵伸出现了一定的结晶结构，而HA的加入并未对SF分子结构产生明显影响。

图2 SF-HA共混纳米纤维的FTIR曲线Fig.2 FTIR spectra of the SF-HA blend nano fi bers

2.3 结晶结构分析(XRD)

根据相关文献对家蚕SF蛋白分子构象的研究[6]，X射线衍射曲线中Silk I的衍射峰主要出现在12.2°、19.7°、24.7°、28.2°附近；Silk II的衍射峰主要出现在9.1°、18.9°和20.7°附近。

图3所示为SF-HA共混纳米纤维的XRD图。图3中纯SF纳米纤维在19.7°有较强衍射峰，在24.3°附近有较弱衍射峰，说明纯SF的结晶结构以Silk I为主。透明质酸的衍射峰为11.6°和21.6°，这应该归属于HA的螺旋结构。SF-HA共混纳米纤维中SF在19.7°处的位置没有发生变化，这表明HA的加入并未对SF的结晶结构产生明显影响，这与上述红外的结论一致。

图3 SF-HA共混纳米纤维的X射线衍射曲线Fig.3 XRD spectra of the SF-HA blend nano fi bers

2.4 热性能研究(TG-DTA)

对不同相对分子质量的SF-H A静电纺纳米纤维的热性能通过差热分析进行表征。由图4可知，纯SF纳米纤维明显的失重温度为279.8 ℃，HA的明显失重温度为240.8 ℃，共混纳米纤维膜的失重温度介于两者之间。随着HA相对分子质量的增大，失重温度向低温移动，这主要是由于HA的分解温度较低所造成的，HA的分解峰在210 ℃[7]。从热分解TG曲线也证实了上述结论，图5中样品4(HA)的热分解开始于210 ℃左右，而纯SF的热分解则开始于260 ℃左右。由于HA含量较少(10 %)，因此SF-HA共混纳米纤维的热分解曲线与纯SF的相近。

图4 SF-HA的DTA图谱Fig.4 DTA curve of the SF-HA blends nano fi bers

图5 SF-HA的TG曲线Fig.5 TG curve of the SF-HA blend nano fi bers

3 结 论

以甲酸为溶剂，采用静电纺丝方法制备了SF-HA共混纳米纤维，并通过SEM、FTIR、X射线衍射和TGDTA对该纳米纤维进行了测试分析，得出以下结论：

1)SF-HA质量比为10∶1，以12 %的质量分数可以溶解于98 %甲酸，说明甲酸可以作为再生SF和不同相对分子质量HA(60 万、160 万和260 万)共混的溶剂。

2)采用静电纺丝方法可以制备SF-HA共混纳米纤维，纤维形态受到透明质酸相对分子质量的影响。SF与60 万 HA共混纳米纤维直径在100 nm左右，纤维表面光滑，呈圆柱状；高相对分子质量HA(260 万)的加入使得纤维形态变差，出现严重的粘连现象。

3)SF-HA共混纳米纤维的结构和热性能基本与纯SF纳米纤维一致，这说明透明质酸加入不会对SF蛋白的分子结构、结晶结构和热性能产生明显影响。

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[3] KIM B S, PARK I K, HOSHIBA T, et al. Design of arti fi cial extracellular matrices for tissue engineering[J]. Prog Polym Sci, 2011, 36: 238-268.

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Study on electrospun Silk Fibroin-Hyaluronic acid blends nanofbers and its structure

CHEN Mei1,2a, ZHANG Feng2b, MING Jin-fa1,2a, GAO Yan-fei1,2a, ZUO Bao-qi1,2a
(1.National Engineering Laboratory for Modern Silk, Suzhou 215123, China; 2a.College of Textile and Clothing Engineering; 2b.School of Biology &Basic Medical Sciences, Soochow University, Suzhou 215021, China)

Silk fibroin and different molecular hyaluronic acid blend nanofibers (SF-HA) were obtained by electro spinning and using formic acid as solvent. Morphological structure and molecular structure of the SF-HA blend nanofibers were examinedby SEM, FTIR, XRD, TG-DTA. It shows that the average diameters of SF-HA blend nanofibers was about 100 nm; the surface of blend fibers was smooth and the shape was cylindrical; with the addition of high molecular hyaluronic acid, the morphology of SF-HA became worse and the nanofibers had serious connection with each other. However, the result proved that the addition of little hyaluronic acid had no significant effect on the molecular conformation and crystal structure.

Silk fibroin; Hyaluronic acid; Electrospun; Blend nanofibers

TB383

A

1001-7003(2012)06-0005-03

2011-11-29；

2012-01-03

苏州市科技计划项目(SG201046)；江苏省高校优势学科一期建设工程项目(苏政办发[2011]6号)

陈梅(1987－ )，女，硕士研究生，研究方向为丝素蛋白生物材料。通讯作者：左保齐，教授，博导，bqzuo@suda.edu.cn。