金、银、二氧化钛纳米材料对再生丝素纤维的改性研究

来源 :江苏科技大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:yuanjinxing1987
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蚕丝纤维具有优异的细胞相容性、生物降解性、对人体和组织无毒无害等特点,目前已应用于组织工程、生物医药等新型材料领域,具有巨大的应用潜力。湿法纺丝是一种简单、经济、环保的纺丝方法,可以将天然蚕丝溶解成丝素蛋白溶液,然后根据需求添加不同物质制成不同功能的再生丝素(RSF)纤维,提高其应用价值,但该工艺生产的RSF纤维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,因此改善RSF纤维的力学性能已成为丝素蛋白生物材料领域的重要研究课题。由于通过添食法给蚕喂食金纳米颗粒(Au NPs)、银纳米颗粒(AgNPs)、二氧化钛纳米颗粒(Ti O2NPs)等纳米材料对蚕丝力学性能有明显的提高效果,因此本文采用金、银、二氧化钛三种纳米材料对湿纺RSF纤维进行改性。纳米材料的尺寸、形状不同,其性质也会有明显的区别,因此通过三种共混体系来系统地研究纳米材料对湿纺RSF纤维的力学性能和结构的影响,分别是不同粒径的AgNPs;粒径相近(2~4 nm)的不同纳米簇(金纳米簇(Au NCs)、银纳米簇(Ag NCs)和二氧化钛纳米簇(Ti O2NCs))以及不同形状的银纳米材料(银纳米线(Ag NWs)和Ag NCs)。主要研究结果如下:1.通过一锅合成法合成粒径分别为2.8±1.5 nm、19.1±2.4 nm、37.5±3.1 nm和58.1±3.8 nm的四种AgNPs(分别记为2 nm、19 nm、37 nm和58 nm),并分别与丝素蛋白溶液共混,采用湿法纺丝工艺对RSF纤维进行改性,研究不同粒径的AgNPs对RSF纤维的形貌、力学性能以及结构的影响。扫描电镜(SEM)结果表明,所有粒径的AgNPs对RSF纤维的形貌和直径没有明显的影响。同步辐射显微红外光谱(FTIR)和广角X射线衍射光谱(WAXD)结果表明,所有粒径的AgNPs对RSF纤维的二级结构(无规卷曲/α-螺旋、β-折叠和β-转角构象)和晶体结构没有明显改变,但都可以提高纤维的β-折叠含量和结晶度、降低晶粒体积。而且AgNPs的粒径越小,改性后的RSF纤维的β-折叠含量和结晶度越高,晶粒体积越小。力学测试结果表明,与纯RSF纤维(断裂强度为158.13±9.27 MPa、断裂伸长率为15.02±8.67%)相比,添加AgNPs的RSF纤维的力学性能明显提高。2 nm、19 nm、37 nm、58 nm AgNPs的添加量分别为2 wt‰、0.4 wt‰、4 wt‰、8 wt‰时,纤维的力学性能达到最佳,断裂强度和断裂伸长率分别为294.34±19.12 MPa、135.95±21.64%;274.32±25.32 MPa、124.28±19.05%;243.32±15.91 MPa、93.23±12.58%;207.09±18.54 MPa、70.51±20.49%,AgNPs的粒径越小,改性后的RSF纤维的力学性能越好。2.通过一锅合成法合成粒径在2~4 nm范围内的2.3±1.1 nm Au NCs(记为2 nm)和4.2±1.4 nm Ti O2NCs(记为4 nm),并作为共混材料对湿纺RSF纤维进行改性,与2 nm AgNPs(Ag NCs)对比,研究不同纳米簇对RSF纤维力学性能和结构的影响。SEM结果表明,Au NCs和Ti O2NCs对RSF纤维的形貌和直径没有明显改变。FTIR和WAXD结果表明,Au NCs、Ti O2NCs都有利于促进RSF纤维β-折叠的形成,提高纤维的结晶度,降低晶粒体积。力学测试结果表明,Au NCs和Ti O2NCs均对RSF纤维的力学性能有显著的增强作用。Au NCs、Ti O2NCs的添加量分别为0.8 wt‰、0.4 wt‰时,RSF纤维的力学性能最佳,断裂强度和断裂伸长率分别为260.67±15.18 MPa、104.62±11.28%;249.52±16.29 MPa、112.2±14.01%。与含2 wt‰Ag NCs的RSF纤维(断裂强度为294.34±19.12 MPa、断裂伸长率为135.95±21.64%)相比,这三种纳米簇对RSF纤维的力学性能提高效果为:Ag NCs>Au NCs>Ti O2NCs。3.通过一锅合成法合成直径为80~100 nm,长度为8~11μm的银纳米线(Ag NWs),并作为共混材料对湿纺RSF纤维进行改性,与Ag NCs对比,研究不同形状的银纳米材料对RSF纤维力学性能和结构的影响。SEM结果表明,Ag NWs对纤维的形貌和直径没有明显改变。FTIR和WAXD结果表明,与纯RSF纤维相比,添加Ag NWs的RSF纤维含有较高的β-折叠含量和结晶度、较小的晶粒体积。力学测试结果表明,添加Ag NWs的RSF纤维的力学性能较纯RSF纤维有明显的提高,Ag NWs的添加量为4wt‰时,RSF纤维的力学性能最佳,断裂强度和断裂伸长率分别为233.41±19.45 MPa、88.37±9.06%。与含2 wt‰Ag NCs的RSF纤维相比,添加4 wt‰Ag NWs的RSF纤维的力学性能较差。
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