本發(fā)明涉及高分子材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種納米纖維素增強絲素蛋白復合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

蠶絲絲素蛋白是由蠶絹絲腺的分泌的高純度蛋白質(zhì)，不含細胞器和其他生物雜質(zhì)，生物安全性高。蠶絲絲素蛋白由乙氨酸、丙氨酸、絲氨酸等二十種氨基酸組成，可被生物降解且最終降解產(chǎn)物為多肽和游離氨基酸容易被機體代謝。絲素蛋白生物相容性良好，蠶絲纖維用于醫(yī)用手術(shù)縫合線已經(jīng)數(shù)十年，臨床效果久經(jīng)考驗。體外實驗和體內(nèi)的結(jié)果證實，再生絲素材料能夠支持多種細胞的生長，表現(xiàn)出免疫學惰性和較低的炎癥反應(yīng)。因此，絲素蛋白是一種較為理想的制備生物醫(yī)用材料的高分子原料。目前，絲素材料已被廣泛用于皮膚、韌帶、血管等組織修復的研究。

作為一種天然的蛋白質(zhì)纖維，絲纖維具有優(yōu)異的力學性能。然而，為了獲得不同形式的材料，如膜、多孔支架、管狀支架等，需要將絲素纖維溶解形成再生絲素蛋白溶液。在溶解再生過程中，絲素纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被明顯破壞，并且絲素大分子被降解，分子量下降。由再生絲素蛋白制備的材料力學性能相比較天然蠶絲纖維明顯下降，難以滿足一些組織工程材料的需求，如骨組織工程支架和人工血管。

納米纖維素是從天然纖維素中提取的一種直徑為1-30 nm，長度為幾十納米到幾百微米的剛性棒狀纖維素或者纖維素納米原纖。納米纖維素聚合度和結(jié)晶度高，具有高強度、高模量的特征，而且納米纖維素可降解、可再生及生物相容性良好，在高性能生物材料領(lǐng)域中顯示出巨大的應(yīng)用前景。由于高性能的力學特征，用納米纖維素分散相來增強再生絲素蛋白材料，能夠獲得力學性能優(yōu)異的復合材料。而且，纖維素含有大量的-OH，能夠與絲素蛋白的-COOH和-NH₂基團能夠形成大量的氫鍵，這種分子間相互作用的增加能夠進一步提高材料的力學性能。另一方面，在組織工程支架的應(yīng)用過程中，復合到支架材料中的納米纖維素能夠為細胞的黏附和遷移提供引導信號。

為了獲得納米纖維素增強的復合材料，目前的主要方法是先提取纖維素納米晶須或者原纖，再與高聚物共混。這種方法不僅工藝繁瑣，而且一般獲得的納米纖維素難以在高聚物溶液中均勻分散，大大限制了其使用范圍。因此，發(fā)展一種可以得到穩(wěn)定的纖維素納米原纖并使其在絲素蛋白基體中均勻分散的簡單有效方法對于制備高性能絲素蛋白復合材料具有重要的意義。在本發(fā)明之前，中國發(fā)明專利（CN103498210）制備了一種高強度絲素蛋白纖維，將纖維素納米晶須與濃縮的絲素蛋白溶液共混進行濕法紡絲制備復合纖維。但是，該方法首先要提取纖維素納米晶須，工藝復雜，而且，纖維素納米晶須容易團聚，很難均勻地分散在絲素溶液中形成均勻的纖維。

鑒于以上缺陷，本發(fā)明人通過積極研究并加以創(chuàng)新，發(fā)明了一種制備納米纖維素增強絲素蛋白復合材料的方法，使其絲素蛋白材料更具有產(chǎn)業(yè)化上的利用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供簡單有效的方法，制備納米纖維素增強絲素蛋白復合材料。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：

一種納米纖維素增強絲素蛋白復合材料的制備方法，包括以下步驟：

S1.將脫膠的蠶絲絲素纖維溶于LiBr中混合溶解均勻，溶解浴比為1：4-20，得到絲素蛋白溶液；

S2.將纖維素溶于LiBr中混合溶解均勻，溶解浴比為1：50-200，得到均勻透明的纖維素溶液；

S3.將絲素蛋白溶液和纖維素溶液混合均勻，經(jīng)脫泡處理，得到共混液；

S4.將共混液冷卻，形成凝膠，然后將凝膠在質(zhì)量濃度50-100%的醇溶液中浸泡0.5-5h，再用水沖洗，得到純化的絲素/纖維素凝膠。

進一步地，所述步驟S1和S2中，LiBr的濃度為5-10mol/L。

進一步地，所述步驟S1中，絲素纖維的溶解條件為，在40-70℃下攪拌混合0.5-4h，避免過高的溫度和過長的時間造成絲素蛋白分子量的下降。

進一步地，所述步驟S2中，纖維素的溶解條件為，在80-150℃下攪拌混合0.5-5h，避免過高的溫度和過長的時間破壞纖維素納米結(jié)構(gòu)。

進一步地，所述步驟S3中，絲素蛋白溶液和纖維素溶液混合的條件為，在80-110℃下攪拌混合3-10min。

進一步地，所述步驟S2中所述的纖維素來自下述纖維素原料中的至少一種：棉花、棉短絨、棉漿粕、木漿纖維、木漿粕、脫脂棉、纖維素濾紙、微晶纖維素、木材、植物秸稈及其纖維素制品。

更進一步地，所述纖維素聚合度在150-1500。

進一步地，所述述步驟S3中，按絲素蛋白和纖維素的質(zhì)量比為0.25-4：1來共混絲素蛋白溶液和纖維素溶液。

進一步地，所述步驟S4中醇溶液為甲醇、乙醇、異丙醇、丁醇、異丁醇、叔丁醇中的至少一種。

一種納米纖維素增強絲素蛋白復合材料，由上述方法制備而成。

上述納米纖維素增強絲素蛋白復合材料的應(yīng)用，包括干燥制成膜，或冷凍干燥制備多孔材料。

本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明以LiBr溶解纖維素，在溶解過程中保留了天然纖維素的納米結(jié)構(gòu)，同時通過控制溶解條件可以直接得到納米纖維素懸液；

2.本發(fā)明的制備方法中，纖維素溶液在冷卻后能夠快速形成凝膠，從而使得納米纖維素均勻地分散在絲素/纖維素混合凝膠中，避免了干燥后的復合材料中出現(xiàn)納米纖維素聚集和分布不勻現(xiàn)象；

3.本發(fā)明以LiBr作為共同溶劑溶解絲素和纖維素，不需要多種化學試劑的聯(lián)合使用，制備過程簡單、可控、安全。

附圖說明

圖1為實施例1制備過程中絲素/纖維素共混膜的表面的電鏡圖；

圖2為實施例1制備過程中絲素/纖維素共混膜的截面的電鏡圖；

圖3為實施例1得到的絲素/纖維素共混膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

圖4為實施例2得到的絲素/纖維素多孔材料的電鏡圖。

具體實施方式

以下通過具體實施方式和附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明的范圍僅限于以下的實例。在不脫離本發(fā)明上述方法思想的情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識和慣用手段做出的各種替換或變更，均應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

實施例1

將100 g家蠶生絲浸入5 L的0.05%NaCO₃溶液中，于98~100℃煮沸處理30 min，重復3次，使蠶絲脫膠，充分洗滌干燥后得到純絲素纖維；將10 g脫膠的絲素纖維加入到50 mL的9.3 mol/L的LiBr溶液中，在60℃下攪拌溶解55 min得到絲素蛋白混合溶液；

將1 g微晶纖維素粉末加入到80 mL的9.3 mol/L的LiBr溶液中，在110℃下攪拌溶解55 min得到纖維素溶液；

將絲素蛋白溶液和纖維素溶液按絲素和纖維的質(zhì)量比50:50混合，在110℃下攪拌5 min混合均勻，得到絲素蛋白/纖維素混合溶液，室溫下冷卻，形成共混的凝膠；

將上述凝膠用75%乙醇浸泡2 h，然后用流動的去離子水中浸泡48 h，去除LiBr；

將純化后的絲素/纖維素凝膠在真空干燥箱中37℃下干燥48 h，得到納米纖維素增強的絲素膜。

將實施例1制備過程中得到的納米纖維素增強的絲素膜做電鏡檢測，檢測結(jié)果如圖1和圖2所示；將實施例1得到的納米纖維素增強的絲素膜進行力學測試，并與LiBr溶解透析得到的再生絲素溶液制備的純絲素膜比較，檢測結(jié)果如圖3所示。

實施例2

將20 g脫膠的絲素纖維加入到100 mL的10 mol/L的LiBr溶液中，在60℃下攪拌溶解58 min得到絲素蛋白混合溶液；

將2 g微晶纖維素粉末加入到160 mL的10 mol/L的LiBr溶液中，在110℃下攪拌溶解58 min得到纖維素溶液；

將絲素蛋白溶液和纖維素溶液按絲素和纖維的質(zhì)量比20:80混合，在110℃下攪拌3 min混合均勻，得到絲素蛋白/纖維素混合溶液。室溫下冷卻，形成共混的凝膠；

將上述凝膠用50%乙醇浸泡2 h，然后在流水中浸泡48 h，去除LiBr；

將純化后的絲素/纖維素凝膠分別用50%，75%的叔丁醇以及無水叔丁醇依次脫水處理30 min，然后在-20℃下冷凍24 h，得到冷凍的固體。

將上述冷凍的固體按常規(guī)方法冷凍干燥處理48 h，得到納米纖維素增強的絲素蛋白多孔材料。

將實施例2制備過程中得到的納米纖維素增強的絲素蛋白多孔材料做電鏡檢測，檢測結(jié)果如圖4所示。

實施例3

將10 g脫膠的絲素纖維加入到40 mL的8 mol/L的LiBr溶液中，在60℃下攪拌溶解120 min得到絲素蛋白混合溶液；

將1 g纖維素濾紙加入到100 mL的8 mol/L的LiBr溶液中，在90℃下攪拌溶解4 h，得到纖維素溶液；

將絲素蛋白溶液和纖維素溶液按絲素和纖維的質(zhì)量比80:20混合，在90℃下攪拌5 min混合均勻，得到絲素蛋白/纖維素混合溶液；室溫下冷卻，形成共混的凝膠；

將上述凝膠用90%甲醇浸泡1 h，然后在流水中浸泡72 h，去除LiBr；

將純化后的絲素/纖維素凝膠在真空干燥箱中37℃下干燥48 h，得到納米纖維素增強的絲素膜。

實施例4

將10 g脫膠的絲素纖維加入到40 mL的5 mol/L的LiBr溶液中，在60℃下攪拌溶解120 min得到絲素蛋白混合溶液；

將1 g纖維素濾紙加入到100 mL的5 mol/L的LiBr溶液中，在90℃下攪拌溶解4 h，得到纖維素溶液；

將絲素蛋白溶液和纖維素溶液按絲素和纖維的質(zhì)量比80:20混合，在90℃下攪拌10 min混合均勻，得到絲素蛋白/纖維素混合溶液；室溫下冷卻，形成共混的凝膠；

將上述凝膠用100%甲醇浸泡1 h，然后在流水中浸泡72 h，去除LiBr；

將純化后的絲素/纖維素凝膠在真空干燥箱中37℃下干燥48 h，得到納米纖維素增強的絲素膜。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當理解本發(fā)明并非局限于本文所披露的形式，不應(yīng)看作是對其他實施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環(huán)境，并能夠在本文所述構(gòu)想范圍內(nèi)，通過上述教導或相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)或知識進行改動。而本領(lǐng)域人員所進行的改動和變化不脫離本發(fā)明的精神和范圍，則都應(yīng)在本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。