一种制备纳米级丝素蛋白材料的方法与流程

本发明属于丝素蛋白材料领域，具体涉及一种制备纳米级丝素蛋白材料的方法。

背景技术：

蚕丝是一种天然的蛋白质，包含丝胶和丝素。丝素含量约占蚕丝的70％～80％，富含18种氨基酸，具有优良的物理、化学特性和优良的生物相容性。因此，长期以来人们总是希望能够很好地利用这种性能开发出满足人类所需要的特殊性能的材料。现代科学技术的发展为科研工作者提供了坚实的基础，这方面的研究近年来已取得了许多有价值的成果，特别是静电法纺制纳米纤维的技术这些成果必将对丝素蛋白材料的深度开发与新用途拓展产生积极而深远的影响。

丝素蛋白材料的应用的关键步骤在于丝素蛋白的溶解，目前关于丝素蛋白的溶解手段主要有以下几类：

(1)nascn溶液法，其采用60％的nascn水溶液溶剂，在65℃下溶胀，并在88℃下溶解；(2)溴化锂/乙醇法，其主要采用溴化锂/乙醇溶剂作为溶解条件；(3)氯化钙溶剂法，其主要是将氯化钙溶解在水中，作为溶剂。上述方法可以有效地溶解丝素蛋白，并使得其在溶液中分散或溶解为毫米级，甚至微米级的材料。然而，丝素蛋白材料主要应用于生物材料、电子材料、医药等领域的精密仪器和产品中，需要更加精细的平均尺寸。因此，可控地制备纳米级尺寸丝素蛋白材料具有十分重要的意义。但是传统的丝素蛋白材料制备方法，无法使得丝素蛋白材料达到纳米级平均尺寸，这在某种程度上阻碍了其在相关领域的应用。

因此，亟需找到一种丝素蛋白材料制备方法，可以可控地制备纳米级的丝素蛋白材料。

技术实现要素：

本发明公开了一种制备纳米级丝素蛋白材料的方法，所制得的丝素蛋白材料的平均尺寸最低可以达到200nm左右。该产品通过以下技术手段得以实现：

一种制备纳米级丝素蛋白材料的方法，包括如下步骤：

s1.配置醇、碱和水混合的三元溶液；

s2.向上述三元溶液中加入丝素蛋白，然后进行超声，同时加入醇并搅拌，形成丝素蛋白溶液；

s3.用截流重均分子量为200-500的透析袋，密封包裹上述丝素蛋白溶液；

s4.将透析袋放入水中进行透析，透析时长为2-5天，期间每隔3-6h更换一次水；

s5.对上述经透析后的丝素蛋白溶液进行冷冻干燥，得到产物。

本发明中，术语“三元溶液”是指溶液中醇、碱和水三类物质按一定质量比进行物理共混后的溶液，并不限于溶液中仅含有三种成分。如本发明一个实施例中所述：丙三醇/乙醇、氢氧化钠和去离子水的物理混合，依然属于本发明所述的三元溶液。

进一步地，所述醇选自甲醇、乙醇、乙二醇、正丙醇、异丙醇或丙三醇的至少一种。

进一步地，所述碱选自氢氧化钠、氢氧化锂和氢氧化钾的至少一种。

进一步地，步骤s1中，所述醇、碱和水的质量比为1-85:0.5-3:1.5-12。

进一步地，所述丝素蛋白的加入量为三元溶液的0.5-5wt％。

进一步地，所述超声的温度为45-70℃。

进一步地，所述超声的频率为20-50khz。

进一步地，所述s2中加入醇的速率为0.05-0.3ml/min。

进一步地，所述s5中冷冻干燥所述s5冷冻干燥的步骤为：在-40至-15℃预冷；然后在-50至-40℃干燥。

进一步地，所述s5中预冷的时间为2-5h；干燥的时间为24-120h。

本发明的有益效果在于：

(1)配置的醇、碱和水的三元溶液具有良好的协同效应，对丝素蛋白具有显著的溶解作用。特别是采用本发明所声称的比例进行复配后所形成的三元溶液，其溶解性能更佳。

(2)在三元溶液溶解过程中，配合一定温度下的超声作用，有利于短时间内，从丝素蛋白的内部快速瓦解丝素蛋白结构，从而加速丝素蛋白材料的溶解过程。

上述两个技术手段的结合，可以将丝素蛋白充分地溶解成平均尺寸在纳米级的材料，所制备的丝素蛋白材料具有现有技术所无法达到的微小平均尺寸(～200nm)。

附图说明

图1为实施例1中制备而成的丝素蛋白材料1的sem图。

图2为实施例2中制备而成的丝素蛋白材料2的sem图。

图3为实施例3中制备而成的丝素蛋白材料3的sem图。

图4为实施例4中制备而成的丝素蛋白材料4的sem图。

图5为实施例5中制备而成的丝素蛋白材料5的sem图。

图6为实施例6中制备而成的丝素蛋白材料6的sem图。

图7为对比例1中制备而成的丝素蛋白材料7的显微镜下的图。

图8为对比例2中制备而成的丝素蛋白材料8的显微镜下的图。

具体实施方式

以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。本发明实施例所述原料均为市售，除非特别说明，采用的原料和方法为本技术领域常规原料和方法。

丝素纤维采购自广西鹿寨县贵盛茧丝工贸有限公司；

透析袋采购自biosharp公司。

实施例1

一种制备纳米级丝素蛋白材料的方法，包括如下步骤：

s1.配置乙醇、氢氧化锂和去离子水混合的三元溶液200g，其中，乙醇、氢氧化锂和去离子水的质量比为1:1:3；

s2.向上述三元溶液中一次性加入丝素蛋白1g，然后在45℃下，50khz的频率进行超声10h，超声过程中同时加入乙醇(速率为0.05ml/min)并搅拌，形成丝素蛋白溶液，并用盐酸中和；

s3.用截流重均分子量为200的透析袋，密封包裹上述丝素蛋白溶液；

s4.将透析袋放入去离子水中进行透析，将透析袋放入去离子水中进行透析，透析时长为3天，期间每隔3h更换一次去离子水。

s5.对上述经透析后的丝素蛋白溶液浓缩，然后在-20℃预冷2h，-50℃干燥96h，得到丝素蛋白材料1。

实施例2

一种制备纳米级丝素蛋白材料的方法，包括如下步骤：

s1.配置甲醇、氢氧化锂和去离子水混合的三元溶液100g，其中，甲醇、氢氧化锂和去离子水的质量比为1:0.5:1.5；

s2.向上述三元溶液中一次性加入丝素蛋白5g，然后在65℃下，20khz的频率进行超声6h，超声过程中同时加入甲醇(速率为0.3ml/min)并搅拌，形成丝素蛋白溶液，并用盐酸中和；

s3.用截流重均分子量为500的透析袋，密封包裹上述丝素蛋白溶液；

s4.将透析袋放入去离子水中进行透析，将透析袋放入去离子水中进行透析，透析时长为5天，期间每隔6h更换一次去离子水。

s5.对上述经透析后的丝素蛋白溶液浓缩，然后在-15℃预冷5h，在-40℃干燥24h，得到丝素蛋白材料2。

实施例3

一种制备纳米级丝素蛋白材料的方法，包括如下步骤：

s1.配置丙三醇/乙醇、氢氧化钠和去离子水混合的三元溶液100g，其中，丙三醇/乙醇(v/v＝1:1)、氢氧化钠和去离子水的质量比为85:3:12；

s2.向上述三元溶液中一次性加入丝素蛋白1g，然后在70℃下，30khz的频率进行超声8h，超声过程中同时加入丙三醇/乙醇(v/v＝1:1)(速率为0.1ml/min)并搅拌，形成丝素蛋白溶液，并用盐酸中和；

s3.用截流重均分子量为200的透析袋，密封包裹上述丝素蛋白溶液；

s4.将透析袋放入去离子水中进行透析，将透析袋放入去离子水中进行透析，透析时长为5天，期间每隔4h更换一次去离子水。

s5.对上述经透析后的丝素蛋白溶液浓缩，然后在-25℃预冷5h，-45℃干燥36h，得到丝素蛋白材料3。

实施例4

一种制备纳米级丝素蛋白材料的方法，包括如下步骤：

s1.配置乙二醇、氢氧化钠和去离子水混合的三元溶液150g，其中，乙二醇、氢氧化钠和去离子水的质量比为1:0.1:4；

s2.向上述三元溶液中一次性加入丝素蛋白3g，然后在65℃下，25khz的频率进行超声12h，超声过程中同时加入乙二醇(速率为0.3ml/min)并搅拌，形成丝素蛋白溶液，并用盐酸中和；

s3.用截流重均分子量为200的透析袋，密封包裹上述丝素蛋白溶液；

s4.将透析袋放入去离子水中进行透析，将透析袋放入去离子水中进行透析，透析时长为4天，期间每隔3h更换一次去离子水。

s5.对上述经透析后的丝素蛋白溶液在-30℃预冷2h，-45℃冷冻干燥120h，得到丝素蛋白颗粒4。

实施例5

一种制备纳米级丝素蛋白材料的方法，包括如下步骤：

s1.配置丙三醇、氢氧化钾和去离子水混合的三元溶液150g，其中，丙三醇、氢氧化钾和去离子水的质量比为1:0.5:15；

s2.向上述三元溶液中一次性加入丝素蛋白3g，然后在70℃下，20khz的频率进行超声10h，超声过程中同时加入丙三醇并搅拌，形成丝素蛋白溶液，并用盐酸中和；

s3.用截流重均分子量为200的透析袋，密封包裹上述丝素蛋白溶液；

s4.将透析袋放入去离子水中进行透析，将透析袋放入去离子水中进行透析，透析时长为3天，期间每隔4h更换一次去离子水。

s5.对上述经透析后的丝素蛋白溶液在-20℃预冷2h，-50℃干燥120h，得到丝素蛋白颗粒5。

实施例6

实施例6的制备方法、原料种类和用量与实施例3相同，唯一区别在于丝素纤维的加入量为三元溶液的7wt％。上述方法得到丝素蛋白材料6。

对比例1

对比例1的制备方法、原料种类和用量与实施例3相同，唯一区别在于s2的步骤中未进行超声。上述方法得到丝素蛋白材料7。

对比例2

对比例2的制备方法、原料种类和用量与实施例3相同，唯一区别在于s2的步骤中未加入丙三醇/乙醇(v/v＝1:1)。上述方法得到丝素蛋白材料8。

测试例

将上述实施例1-6，和对比例1-2所制备得到的丝素蛋白材料，进行产率和平均尺寸的测试。测试的方法如下：

丝素蛋白材料的平均尺寸在扫描电镜(sem)或显微镜(放大1000倍)下观察样品估测粒径且拍照记录，同时用imagej软件统计丝素材料粒径，误差±10％。

图1-6示出了实施例1-6中丝素蛋白材料1-6的sem图，说明了在实施例1-6的制备条件下均可制得纳米丝素材料，实施例1-3制得的丝素材料粒径均一性好，实施例4-6制得的纳米丝素材料均一性次之。

图7示出了对比例1中丝素蛋白材料7的显微镜下的图，说明了对比例1未进行超声，无法制得纳米级丝素材料，制得的丝素材料为微米级丝素短纤维

图8示出了对比例2中丝素蛋白材料8的显微镜下的图，说明了对比例2未加入醇溶液，丝素溶解相对减慢，制得的丝素材料尺寸不能达到纳米级。

各个实施例和对比例的丝素蛋白材料的产率和平均尺寸如表1所示。

表1实施例1-6、对比例1-2中所制备的丝素蛋白材料的平均尺寸的具体数据

从上述结果及附图可以看到，实施例1-3所制得的丝素蛋白材料的平均尺寸最为理想，约为200-420nm之间，获得的纳米丝素材料粒径均一性好；实施例4、实施例5中由于碱过低或去离子水的含量过高，使得丝素蛋白在三元溶液中溶解度受到影响，从而所得丝素蛋白材料平均尺寸有所增加且粒径均一性较差；实施例6由于丝质蛋白材料相比于三元溶液的含量过高，使得溶解相对困难，导致丝质蛋白材料的平均尺寸显著的增加。

从对比例来看，对比例1未进行超声，导致无法从丝素蛋白材料内部瓦解丝素蛋白结构，从而造成溶解在三元溶液中的过程较为缓慢，且所得到的的丝素蛋白材料平均尺寸过大；而对比例2在超声过程中未加入乙醇，由于乙醇蒸发，未适时补充乙醇，影响了丝素蛋白材料平均尺寸的均匀形成，且平均尺寸偏大。因此对比例1-2所形成的丝素蛋白材料的平均尺寸均在微米级别。

以上实施例的数据，反应了本发明的技术方案的先进性。