再生羊毛角蛋白-聚己内酯复合纳米纤维的制备及生物性能的研究

摘要

我国羊毛资源浪费严重，每年有大量毛纺厂的羊毛副产品、不适合纺纱的劣质羊毛原料及许多其它动物毛发被废弃，这些废弃的资源中含有丰富的角蛋白。据统计，因劣质、加工损耗、废旧等原因，我国每年约有十几吨羊毛资源被废弃，如果能将废弃的羊毛进行回收利用，不仅能够减少环境污染，还可以缓解当前我国羊毛资源短缺等问题。因此，近年来对于提取角蛋白及再利用的研究非常活跃，并取得了一定成果，但有关绿色、环保、高效的角蛋白提取方法的报道却很少。本文发明了一种新型羊毛角蛋白粉末提取方法，将其与聚己内酯进行静电纺丝，并对其结构性能进行了研究，为角蛋白在可降解材料和生物医学等领域的潜在应用提供新的途径。
　　首先，本文发明了一种新型角蛋白粉末提取方法，并对羊毛的溶解工艺进行优化，得到最佳提取工艺为：反应pH值为10，反应温度为65℃，反应时间为5h和L-半胱氨酸的加入量为2wt％。在最佳工艺条件下，羊毛溶解率为70%，角蛋白粉末提取率为56%（分子量超过8kDa）。通过SDS-PAGE凝胶电泳、生物显微镜、XRD、FTIR-ATR、Raman、13C NMR、TGA和GPC等分析手段对L-半胱氨酸溶解羊毛前后进行测试，实验结果表明，最佳工艺条件下，通过L-半胱氨酸提取的羊毛角蛋白分子量主要分布在10kDa、40kDa和60kDa。羊毛的溶解是先溶胀后逐渐分解过程。在羊毛再生过程中，角蛋白分子结构未发生较大变化，但角蛋白的二级结构由α-螺旋结构转变为β-折叠结构，且大分子链间的氢键发生断裂，部分二硫键遭到破坏，且在干燥过程中没有恢复，与原羊毛纤维相比，角蛋白的热稳定性有所下降。
　　其次，将提取的羊毛角蛋白粉末与聚己内酯用甲酸溶解后进行静电纺丝，通过电导率、SEM、TEM、FTIR-ATR、XRD、TGA、断裂强力和接触角等分析手段对纺丝液和纺丝膜进行测试。实验结果表明，纺丝液的电导率随着角蛋白的加入而增大，纺丝液的浓度对纺丝纤维的表观形态结构的影响较大，浓度低于8wt%时，纺丝容易形成串珠，在10wt%时纺丝过程最顺畅，纺丝纤维最均匀。在纺丝液中，随着角蛋白含量的增加，纺丝纤维的直径逐渐减小，但达到一定值后，纺丝过程困难。再生角蛋白和聚己内酯在甲酸溶剂下具有良好的相容性，所得纺丝纤维具有静电纺纤维明显的皮芯结构。在静电纺丝过程中，再生角蛋白和聚己内酯之间形成了氢键，但随着纳米纤维中角蛋白含量的增加，纤维的结晶度逐渐下降，初始分解温度逐渐变低，但角蛋白的加入减缓了复合材料的降解速率，降低了复合材料的失重率。角蛋白的加入，降低了复合材料的杨氏模量，但实验结果与其他聚己内酯/天然聚合物基复合纳米纤维膜的力学性能相当。角蛋白/聚己内酯静电纺丝膜的亲水性良好。可以将再生角蛋白与聚己内酯进行复合静电纺丝，赋予羊毛新的物理化学性能。
　　最后，对再生羊毛角蛋白/聚己内酯/甲酸复合纺丝膜的生物降解性能和细胞相容性能进行测试，通过酶标仪（ELISA）、激光共聚焦显微镜（LSCM）和SEM等分析手段对细胞生长状态进行测试。实验结果表明，在模拟体外降解实验中，用PBS缓冲溶液处理7周后纺丝膜几乎没有变化，其中再生角蛋白含量高的纺丝膜有些许溶胀。羊毛角蛋白/聚己内酯/甲酸复合纺丝膜对细胞表现良好的相容性，角蛋白的加入能够促进细胞的生长。羊毛角蛋白/聚己内酯/甲酸复合纺丝膜是一个十分具有潜力的生物材料。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 羊毛角蛋白的概述及应用

1.3 聚己内酯的概述及其应用

1.4 静电纺丝技术的概述及应用

1.5 课题研究意义及内容

2 再生羊毛角蛋白粉末的制备

2.1 羊毛纤维的溶解原理

2.2 实验仪器、药品和材料

2.3 再生羊毛角蛋白提取工艺

2.4 羊毛及再生羊毛角蛋白的表征

2.5 实验结果与讨论

2.6 本章小结

3 静电纺制备羊毛角蛋白/聚己内酯纳米纤维膜

3.1 实验仪器、药品和材料

3.2 静电纺丝工艺

3.3 性能测试

3.4 实验结果与讨论

3.5 本章小结

4 羊毛角蛋白/聚己内酯纳米纤维膜的细胞实验

4.1 实验仪器、药品和材料

4.2 复合纺丝

4.3 体外降解实验

4.4 细胞相容性实验

4.5 实验结果与分析

4.6 本章小结

5 结论

参考文献

攻读硕士期间的研究成果

致谢