银纳米线对再生蚕丝性能的影响

Effect of silver nanowires on properties of regenerated silk

摘要

近年来，再生蚕丝作为一种重要的生物资源已被广泛应用于人造组织、生物支架等领域，对其力学性能提出了较高的要求。为提高再生蚕丝的力学性能，采用化学还原法合成直径为80~100 nm、长度为8~11 μm的银纳米线（AgNWs），并将其作为共混材料，通过湿法纺丝工艺制备再生蚕丝，探讨AgNWs浓度对再生蚕丝力学性能和结构的影响。结果表明：不同浓度AgNWs均有利于提高再生蚕丝的力学性能，AgNWs浓度为4‰时，再生蚕丝的力学性能最佳，断裂强度可达233.41 MPa，断裂伸长率可达88.37%，显著高于普通的再生蚕丝（158.13 MPa和15.02%）。扫描电镜和红外光谱发现，添加AgNWs对再生蚕丝的形貌和直径无明显改变，但可促进丝素蛋白β⁃折叠构象形成。

Abstract

In recent years， as an important biological resource， regenerated silk has been widely used in artificial tissue， biological scaffolds and other fields， which needs higher requirements for its mechanical properties. In order to improve the mechanical properties of the regenerated silk， silver nanowires （AgNWs） with the diameter of 80~100 nm and the length of 8~11 μm were synthesized by chemical reduction method， and were used as the blending agent to prepare regenerated silk by wet spinning. The effects of AgNWs on mechanical properties and structure of regenerated silk were analyzed. The results showed that AgNWs of different concentrations were beneficial to improve the mechanical properties of regenerated silk. When the content of AgNWs was 4 ‰， the mechanical property of regenerated silk was the best， the breaking strength could reach to 233.41 MPa， and the breaking strain could reach to 88.37%， which were significantly higher than ordinary regenerated silk （158.13 Mpa and 15.02%）. AgNWs did not significantly change the morphology and diameter of the regenerated silk， but can promote the formation of β⁃sheet of silk fibroin.

Graphical abstract

关键词

再生蚕丝 / 银纳米线 / 力学性能

Key words

regenerated silk / AgNWs / mechanical property

0 引 言

蚕丝是一种由蚕腺体分泌的天然生物纤维，是人类利用最早的动物纤维之一，具有良好的吸湿透气性，因此主要用于纺织原料。同时因为蚕丝具有良好的生物相容性、可降解性等特点，近年来其在人造组织、生物支架和药物输送等方面应用越来越多^［1~4］。

为了提高蚕丝的性能，可对蚕丝进行功能化改性，赋予蚕丝新的功能，增加其附加值。目前常用的改性方法是把蚕丝溶解为丝素蛋白溶液，再与功能化材料共混，经人工纺丝工艺转化为功能化的再生蚕丝。再生蚕丝可经针织、编织、智能打印等手段制成生物医药用品，应用于手术缝合线、人工支架、医学传感器等。将石墨烯与丝素蛋白溶液共混，利用人工纺丝工艺制备具有导电性的再生蚕丝，发现其具有良好的生物相容性，并且可携电刺激细胞，促进大鼠骨髓间充质干细胞（r BMSCs）的生长繁殖，可作为组织工程活性材料^［5］。人工纺丝方法主要包括静电纺丝、干法纺丝和湿法纺丝。相比于前两种纺丝方法，湿法纺丝具有成本低、可操作性强、产量高等诸多优点，目前已应用于工业生产当中，具有较高的经济效益和广阔的发展前景。

普通再生蚕丝往往存在断裂强度和断裂伸长率较低，即力学性能不及天然蚕丝的问题^［6］，限制了其在新型材料、生物治疗等领域的应用。因此，近年来研究人员致力于提高再生蚕丝的力学性能，以扩宽其应用前景。采用氯化钙⁃甲酸溶解体系对湿纺再生蚕丝的力学性能进行改性，制备出的再生蚕丝具有多层次结构和良好力学性能，可作为生物支架应用于组织工程^［7］。共混锂皂土能显著提高湿纺再生蚕丝的力学性能，并有利于诱导组织生长、改善人工韧带的骨整合性能^［8］。将硫酸铜纳米颗粒与丝素蛋白溶液共混，制得的湿纺再生蚕丝的断裂强度可达到301 MPa且具有显著的光热转化性能，可应用于自发热织物领域^［9］。

银纳米线（AgNWs）是典型的一维纳米材料，直径范围在5~100 nm，具有优异的导电性、抗菌性、柔韧性和独特的光学性质等特点，可应用于智能穿戴、医药、催化等领域^{［10，11］}，而AgNWs对再生蚕丝力学性能的改性研究尚未见报道。因此，本文将AgNWs与丝素蛋白溶液共混，采用湿法纺丝工艺对再生蚕丝进行改性，探讨不同浓度AgNWs对再生蚕丝力学性能和结构的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

硝酸银（AgNO₃）、 聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、 甲酸（FA）购自上海阿拉丁有限公司；甘油、氯化钠（NaCl）、碳酸钠（Na₂CO₃）、无水氯化钙（CaCl₂）、无水乙醇（C₂H₅OH）购自国药集团化学试剂有限公司；桑蚕丝由中国农业科学院蚕业研究所提供。

1.2 仪器与设备

恒温油浴锅（HH⁃S2，中国金坛市医疗仪器厂）；扫描电镜（S⁃4800，日本Hitachi公司）；显微镜（ECLIPSE E100，日本尼康公司）；力学拉伸仪（3343，美国Instron公司）；傅里叶变换红外光谱仪（上海光源（SSFR）BL01B同步辐射红外显微实验站）。

1.3 AgNWs的合成

将5.86 g PVP溶解在190 mL甘油中，在85 ℃下搅拌1 h以形成均匀的溶液。搅拌完成后冷却至室温，将1.58 g AgNO₃加入上述溶液中，然后将含有59 mg NaCl、0.5 mL超纯水和10 mL甘油的混合溶液加入到上述溶液中，并在温和搅拌下将混合物加热至210 ℃反应25 min。反应完成后，将200 mL超纯水加入烧瓶中并冷却至室温。最后将反应完成后的混合溶液离心以除去过量的PVP，将纯化后的AgNWs冷冻干燥备用^［12］。

1.4 丝素蛋白与AgNWs共混溶液的制备

在Na₂CO₃水溶液（0.05%）中加入适量的蚕丝，然后按照1∶200（m∶V）的浴比煮沸30 min，用60 ℃的超纯水漂洗3次去除杂质和残留离子，重复上述实验3次。最后将脱胶蚕丝置于45 ℃下烘干。

将脱胶蚕丝溶于5%的CaCl₂⁃FA溶液中制备15%丝素蛋白溶液，在丝素蛋白溶液中分别加入不同质量的AgNWs，室温下搅拌4 h，搅拌均匀后作为纺丝原液进行湿法纺丝，加入的AgNWs与脱胶蚕丝的质量比值为0.4‰、0.8‰、2‰、4‰、8‰、10‰。

1.5 湿法纺丝

采用图1所示的湿法纺丝装置，凝固槽长度为1 m，凝固液为75%乙醇，纺丝速度为2 mL/h，吐丝针头直径为0.21 mm。用高压注射泵挤压注射器内的纺丝液至凝固浴中形成初生纤维，然后将初生纤维拉伸到3倍长度，将收集到的再生蚕丝置于75%乙醇溶液中24 h，最后将再生蚕丝取出，置于35 ℃下烘干。

1.6 AgNWs和再生蚕丝的表征和性能测试

① 扫描电镜观察AgNWs的形貌，将AgNWs分散在乙醇溶液中，然后滴加在导电胶上，待乙醇挥发后采用喷金处理再进行观察。② 利用扫描电镜观察再生蚕丝表面和断面的形貌，将丝平铺在导电胶上，再经过喷金处理后进行形貌观察。③利用显微镜观察并测量再生蚕丝的直径，每组选取20根丝进行直径测量，结果取平均值。④ 利用单纤维力学拉伸仪测试再生蚕丝的力学性能，测试夹距：6 mm，拉伸速率：2 mm/min，每组选取20根丝进行拉伸测试，结果取平均值。⑤ 利用红外显微光谱仪测定再生蚕丝的二级结构，每组选取5根丝进行测定，光圈大小：10 μm×10 μm，光谱范围：600~4 000 cm^-1，光谱分辨率：0.4 cm^-1。

1.7 数据处理与分析

采用OPUS软件对红外图谱进行平滑，然后利用二阶导数谱确定所分峰的位置和个数，用Peakfit软件进行分峰拟合^［13］，通过半定量分析算出再生蚕丝的二级结构相对含量，采用Origin软件作图。

2 结果与分析

2.1 AgNWs的形貌

采用化学还原法制备AgNWs，将甘油作为溶剂和还原剂，PVP为表面活性剂。在反应过程中被还原成的银原子会沿（110）方向生长成纳米颗粒，然后在PVP的作用下逐渐长成纳米线，通过调节反应温度和时间来控制AgNWs的形状和大小。图2为AgNWs扫描电镜（SEM）图，由图可知，本实验合成的AgNWs呈线状结构，大小均匀且具有良好的分散性，平均直径为80~100 nm，长度为8~11 μm。

2.2 不同浓度AgNWs对再生蚕丝力学性能的影响

图3和表1分别为添加不同浓度AgNWs的再生蚕丝的应力⁃应变曲线和力学性能。由图表可知，再生蚕丝空白组的断裂强度和断裂伸长率分别为（158.13±9.27） MPa、（15.02±8.67）%，添加不同浓度的AgNWs后，制得的再生蚕丝力学性能较空白组有明显的提高，表明AgNWs有利于提高再生蚕丝的力学性能。

随着AgNWs浓度的增加，再生蚕丝的断裂强度呈现先上升后下降的趋势。当AgNWs浓度为4‰时，再生蚕丝的力学性能最佳，断裂强度和断裂伸长率分别为（233.41±19.45） MPa、（88.37±9.06）%，较空白组分别提高了47.61%和488.35%。

2.3 不同浓度AgNWs对再生蚕丝形貌的影响

图4为添加不同浓度AgNWs的再生蚕丝直径图，由图可知，添加不同浓度AgNWs的再生蚕丝直径较空白组并无明显差异，丝直径较为均一。图5a、b分别是再生蚕丝空白组表面和断面结构形貌图，可以看出再生蚕丝表面较为光滑且内部结构紧实。选取添加0.4‰、4‰和10‰AgNWs的再生蚕丝进行形貌表征，如图6。与空白组相比，添加不同浓度AgNWs的再生蚕丝的表面和内部结构都没有明显的变化，没有出现缝隙或空洞结构，再生蚕丝可保持良好的外观形态。结果表明，AgNWs对再生蚕丝形貌和直径没有明显的影响。

2.4 不同浓度AgNWs对再生蚕丝二级结构的影响

图7为添加不同浓度AgNWs的再生蚕丝的红外光谱图。从1 232 cm^-1（酰胺Ⅲ，归因于无规卷曲或α⁃螺旋或两者兼有），1 265 cm^-1（酰胺Ⅲ，归因于β⁃折叠），1 644 cm^-1（酰胺Ⅰ，归因于无规卷曲或α⁃螺旋或两者兼有）和1 691 cm^-1（酰胺Ⅰ，归因于β⁃转角）^{［13，14］}这四个明显的特征峰可以看出，与空白组相比，添加不同浓度AgNWs的再生蚕丝的红外谱图无明显差异，表明添加AgNWs没有明显改变再生蚕丝的二级结构，表现为无规卷曲/α⁃螺旋、β⁃转角和β⁃折叠构象并存。

图8为对红外光谱酰胺Ⅲ区（1 200~1 300 cm^-1）进行分峰拟合等方法得到的再生蚕丝二级结构含量图^{［13，15］}。结果表明，添加不同浓度AgNWs后，再生蚕丝的β⁃折叠含量较空白组有不同程度的增加，且再生蚕丝的β⁃折叠含量随着AgNWs浓度的增加出现先增加后降低的趋势。

当AgNWs浓度为4‰时，再生蚕丝的β⁃折叠含量最高，此时再生蚕丝的力学性能达到最佳。可能是AgNWs能促进丝素蛋白由无规卷曲/α⁃螺旋构象向β⁃折叠构象进行转变，二级结构含量的变化可能会影响再生蚕丝的力学性能。

3 结 论

本研究采用化学还原法合成直径为80~100 nm、长度为8~11 μm的AgNWs，并将其与丝素蛋白溶液共混，通过湿法纺丝工艺对再生蚕丝的力学性能进行改性。结果显示，不同浓度AgNWs对再生蚕丝的形貌和直径没有明显的改变，再生蚕丝可保持良好的外观形态。同时，其可促进丝素蛋白β⁃折叠构象的形成，并有利于提高再生蚕丝的力学性能。当AgNWs浓度为4‰时，再生蚕丝的力学性能最佳，断裂强度可达到233.41 MPa，断裂伸长率达到88%，显著高于普通的再生蚕丝。本研究为制备高力学性能的再生蚕丝提供了一种有效的方法，且银纳米线具有导电性、柔韧性等特点，可以扩宽再生蚕丝在生物医学、智能穿戴、柔性器件等领域的应用发展。

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基金资助

江苏特聘教授项目(苏教师［2015］17)