阅读说明：本技术 一种柞蚕丝素短纤维的制备方法 (Preparation method of tussah fibroin short fiber ) 是由 陈芳艳 王新 林碧敏 钟杨生 林健荣 戴宏彬 孙月恒 宫学莹 于 2019-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明属于生物材料技术领域,涉及一种柞蚕丝素短纤维的制备方法,将柞蚕茧壳脱胶处理得到柞蚕丝素纤维,再用FeCl<Sub>3</Sub>溶液水解处理柞蚕丝素纤维,制备得到柞蚕短纤维。本发明的制备方法简单易控、条件温和,反应水解试剂对柞蚕丝素表面无明显破坏；通过本发明得到柞蚕丝素短纤维的水解率较高,且得到的柞蚕短纤维长度主要分布在100～250μm,形状为细长的短杆状,两端的切口平整,具有很好的提高丝素膜拉伸性能的潜力,在医疗及化妆品领域具有潜在的应用价值。(The invention belongs to the technical field of biological materials, and relates to a preparation method of tussah silk fibroin short fibers 3 And hydrolyzing the solution to process the tussah silk fibroin fiber to prepare the tussah short fiber. The preparation method is simple and easy to control, the conditions are mild, and the reaction hydrolysis reagent does not obviously damage the surfaces of the tussah silk fibroin; the tussah silk fibroin short fiber obtained by the method has high hydrolysis rate, the length of the obtained tussah silk fibroin short fiber is mainly distributed in 100-250 mu m, the tussah silk fibroin short fiber is in a shape of a slender short rod, the cuts at two ends are flat, the tussah silk fibroin short fiber has good potential for improving the tensile property of a silk fibroin film, and has potential application value in the fields of medical treatment and cosmetics.)

一种柞蚕丝素短纤维的制备方法

技术领域

本发明属于生物材料技术领域。更具体地，涉及一种柞蚕丝素短纤维的制备方法。

背景技术

蚕丝生物材料是中国先民最早开发利用的动物蛋白之一，由于它蛋白质含量高、无毒无害、生物相容性好、生物降解性优良和机械性能优良等特点引起学者们的关注。柞蚕丝是柞蚕吐的丝，柞蚕丝素蛋白富含有利于细胞黏附和生长的精氨酸-甘氨酸-天门冬氨酸(RGD)三肽序列，与桑蚕丝相比在细胞粘附性方面更有优势，因而在医药生物材料应用上具有重要的应用价值，也可为进一步开发制备生物材料，化妆品面膜基料奠定基础。

蚕丝短纤维在造纸、服装、航空材料、医药材料等领域得到广泛的应用，关于蚕丝短纤维的制备早有学者研究，但由于蚕丝的原料不同，制备蚕丝短纤维的方法也各不相同，例如杨瑞玲等(杨瑞玲，曾新.负离子涤纶短纤维的研制[J].合成纤维，2002(05):29-31)通过PPTA的各向异性硫酸溶液纺丝，得到长纤维，再经过切断、粉碎、原纤化等过程得到负离子涤纶短纤维；魏子凯等(魏子凯，丁绍敏，陆敏兴，林海涛，宁晚娥.蚕丝蛋白短纤维的制备方法[J].丝绸，2019，56(07):28-33)采用氢氧化钠尿素提取液制备桑蚕丝素短纤维。柞蚕丝与桑蚕丝相比，虽然氨基酸组成相同，但丝蛋白二级结构与性能与家蚕相比有较大差别；此外，由于柞蚕一直生活在野外，蚕茧上往往附有一层矿物层，蚕丝从蚕茧上分离出来比桑蚕丝困难，因此柞蚕纤维相比于桑蚕纤维更难以水解，如利用氯化钙-乙醇混合液，溴化锂有机酸等溶液可以很容易将桑蚕丝素水解，但是这些溶剂对柞蚕丝素却显得无能为力。

因此，目前亟待找到一种反应条件温和、简单易控且环境友好型的柞蚕丝素短纤维的制备方法，为进一步开发制备生物材料，化妆品面膜基料打下基础。

发明内容

本发明旨在提供一种针对柞蚕丝短纤维的制备方法，方法工艺简单易控、条件温和，制备得到的柞蚕丝素短纤维的水解率达到了0.67mg/mL，且得到的短纤维的长度主要分布在100～250μm，形状为细长的短杆状，两端的切口平整，该柞蚕丝素短纤维具有很好的提高丝素膜拉伸性能的潜力，可进一步开发制备生物材料、化妆品面膜基料等，在医疗及化妆品领域具有潜在的应用价值。

本发明的目的是提供一种柞蚕丝素短纤维的制备方法。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种柞蚕丝素短纤维的制备方法，是将柞蚕茧壳脱胶处理得到柞蚕丝素纤维，再用FeCl₃溶液水解处理柞蚕丝素纤维，制备得到柞蚕短纤维。

其中，优选地，所述FeCl₃溶液的浓度为0.1～0.5mol/L。

更优选地，所述FeCl₃溶液的浓度为0.1～0.2mol/L。

最优选地，所述FeCl₃溶液的浓度为0.18mol/L。

优选地，所述柞蚕丝素纤维与FeCl₃溶液的重量体积比为1g：25～40mL。

更优选地，所述柞蚕丝素纤维与FeCl₃溶液的重量体积比为：1g：30mL。

优选地，所述水解的温度为90～130℃。

更优选地，所述水解的温度为90～110℃。

最优选地，所述水解的温度为105℃。

优选地，所述水解的时间为1～8h。

更优选地，所述水解的时间为1～6h。

最优选地，所述水解的时间为5h。

具体优选地，所述柞蚕丝素短纤维的制备方法包括如下步骤：

S1.将柞蚕茧壳加入Na₂CO₃溶液中脱胶，洗涤、干燥后得到柞蚕丝素纤维；

S2.将柞蚕丝素纤维加入FeCl₃溶液中进行水解，得到含有柞蚕丝素短纤维的液体；

S3.将步骤S2的产物除去FeCl₃废液，并去除柞蚕丝素短纤维表面的铁离子，洗涤至中性，然后干燥得到柞蚕丝素短纤维。

该方法采用三氯化铁溶液水解柞蚕纤维，相比于酸、碱等水解反应，反应过程FeCl₃溶液的浓度较低且实验过程较易控制，条件温和，反应水解试剂对柞蚕丝素表面无明显破坏；同时对制备工艺的条件进行了优化调控完善，制备所得柞蚕丝素短纤维性质优异，柞蚕丝素短纤维的水解率较高，长度理想(主要分布在100～250μm)，形状为细长的短杆状，两端的切口平整，具有很好的提高丝素膜拉伸性能的潜力。

其中，优选地，步骤S1所述Na₂CO₃溶液的浓度为0.5～2％。

更优选地，步骤S1所述Na₂CO₃的浓度为1％。

优选地，步骤S1所述柞蚕茧壳与Na₂CO₃溶液的重量体积比为：1g：40～60mL。

更优选地，步骤S1所述柞蚕茧壳与Na₂CO₃的重量体积比为：1g：50mL。

优选地，步骤S1所述脱胶的温度为95～100℃，时间为15～30min。

更优选地，步骤S1所述脱胶的温度为100℃，时间为30min。

优选地，步骤S1所述洗涤为用50～80℃蒸馏水冲洗。

更优选地，步骤S1所述洗涤为用60℃蒸馏水冲洗。

优选地，步骤S1所述脱胶、洗涤操作重复2～4次。

更优选地，步骤S1所述脱胶、洗涤操作重复3次。

优选地，步骤S1所述干燥为在70～100℃下干燥2～3h。

更优选地，步骤S1所述干燥为在75℃下干燥2.5h。

优选地，步骤S3所述去除柞蚕丝素短纤维表面的铁离子的方法为：用0.05～0.1mol/L盐酸洗涤吸附在短纤维表面的铁离子。

更优选地，步骤S3所述洗涤方法为：用0.1mol/L盐酸洗涤吸附在短纤维表面的铁离子，用蒸馏水洗至洗涤废液为中性。

优选地，步骤S3所述洗涤至中性使用蒸馏水进行洗涤。

优选地，步骤S3所述干燥为在60～90℃条件下真空干燥。

更优选地，步骤S3所述干燥为在70℃条件下真空干燥。

本发明具有以下有益效果：

1、本方法反应过程的工艺简单较易控制、条件温和，反应水解试剂对柞蚕丝素表明无明显破坏。

2、通过本发明得到柞蚕丝素短纤维的水解率较高，且得到的柞蚕短纤维长度也较理想，其长度主要分布在100～250μm，形状为细长的短杆状，两端的切口平整，具有很好的提高丝素膜拉伸性能的潜力，能为进一步开发制备生物材料，化妆品面膜基料打下基础。

附图说明

图1是不同水解剂制备的柞蚕丝素短纤维形貌图；

图2是FeCl₃制备的柞蚕丝素短纤维长度分布图；

图3是HCl制备的柞蚕丝素短纤维长度分布图；

图4是FeCl₃浓度对柞蚕丝素水解率的影响；

图5是水解时间对柞蚕丝素水解率的影响；

图6是水解温度对柞蚕丝素水解率的影响。

具体实施方式

以下结合说明书附图和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。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

水解率的测定：将水解后得到的柞蚕丝素短纤维，进行清洗后，放入烘箱中烘干至恒重，称取短纤维质量，计算水解率，水解率公式如下：

短纤维水解率(mg/mL)＝m/V

式中：m为短纤维质量(mg)；V为水解液体积(mL)。

实施例1不同水解剂制备的柞蚕丝素短纤维形貌分析

1、试验方法

(1)制备柞蚕丝素短纤维

S1.柞蚕茧壳脱胶：称取柞蚕茧壳10g，置于含500mL 1％Na₂CO₃的烧杯中，于100℃的条件下搅拌15min，脱胶结束后，用60℃蒸馏水冲洗干净。以上过程重复三次，得到脱胶柞蚕丝素，最后将其在75℃条件下干燥2.5h，扯松，获得网状柞蚕丝素；

S2.柞蚕丝素水解：取1g柞蚕丝素3份，分别加入不同的水解剂进行水解处理：FeCl₃(温度105℃、浓度0.18mol/L、时间5h)、HCl(温度90℃、浓度3mol/L、时间40min)、NaOH(温度85℃、浓度16mol/L、时间20min)；

S3.取出水解后的柞蚕丝素，置于布氏漏斗中，然后真空抽滤除去FeCl₃废液，用0.1mol/L盐酸洗涤吸附在短纤维表面的铁离子，用蒸馏水洗至洗涤废液为中性，然后在70℃条件下真空干燥，得到柞蚕丝素短纤维。

(2)柞蚕丝素短纤维形貌观察

将不同水解剂制备得到的柞蚕丝素短纤维均匀的平铺在载玻片上，在倒置显微镜下观察短纤维的形貌特征，随机选取若干视线，测量并记录其中各短纤维的长度，统计出短纤维的主要长度分布区域。

2、实验结果

(1)柞蚕丝素短纤维形貌观察

图1为柞蚕丝素短纤维的形貌图，图中a/A、b/B、c/C分别为FeCl₃、HCl、NaOH溶液制备的短纤维，a、b、c为4k倍数下的显微镜图，A、B、C为20k倍数下的显微镜图。

从图中可以看到，用FeCl₃溶液制备的短纤维(a、A)，短纤维呈细长的短杆状，长短不一，两端的切口为平面或斜面；图片显示短纤维的外表并没有裂痕，即水解制备短纤维的过程中，反应未对柞蚕丝素表面造成明显破坏。

用HCl溶液制备的短纤维(b、B)，除颜色较浅且透明，其他与用FeCl₃溶液制备的短纤维相同。

用NaOH溶液制备的短纤维(c、C)，短纤维呈无规则的片状，显示出制备短纤维的过程中，反应对柞蚕丝素表面造成较严重的破坏。

(2)柞蚕丝素短纤维长度

FeCl₃制备的短纤维长度分布见图2，图2柱状图表示短纤维长度落在该区间内的频率。从图中可以看出，其中100μm至250μm的短纤维所占比例为42.97％，是短纤维长度的主要分布区域。

HCl制备的短纤维长度分布见图3。从图中可以看出，其中50μm至125μm的短纤维所占比例为52.68％，是短纤维长度的主要分布区域。

通过对比三种溶液来水解柞蚕丝得到微米级短纤维，可以发现：NaOH溶液制备短纤维呈无规则的片状，显示出制备短纤维的过程中，反应对柞蚕丝素造成明显的破坏，不是理想的短纤维；HCl溶液制备短纤维的浓度虽较低，但HCl极易挥发，对环境造成影响；同时反应过程较难控制，制备过程纤维极易出现碳化的情况；同时所制备的短丝素长度较短，不能很好的提高丝素膜的拉伸性能；FeCl₃溶液制备短纤维的浓度较低且实验过程较易控制，对柞蚕丝素的影响很小，得到的短纤维的长度也较理想，因此综合考虑，FeCl₃溶液更适合作为制备柞蚕短纤维的水解试剂。

实施例1FeCl₃浓度对柞蚕丝素水解率的影响

1、试验方法

(1)柞蚕茧壳脱胶：称取柞蚕茧壳10g，置于含500mL 1％Na₂CO₃的烧杯中，于100℃的条件下搅拌15min，脱胶结束后，用60℃蒸馏水冲洗干净。以上过程重复三次，得到脱胶柞蚕丝素，最后将其在75℃条件下干燥2.5h，扯松，获得网状丝素纤维。

(2)柞蚕丝素水解：取1g柞蚕丝素6份，分别加入30mL浓度为0.1mol/L、0.12mol/L、0.14mol/L、0.16mol/L、0.18mol/L、0.2mol/L的FeCl₃溶液中，在温度为100℃条件下，处理5h，取出水解后的柞蚕丝素，置于布氏漏斗中，然后真空抽滤除去FeCl₃废液，用0.1mol/L盐酸洗涤吸附在短纤维表面的铁离子，用蒸馏水洗至洗涤废液为中性，然后在70℃条件下真空干燥得到柞蚕丝素短纤维，称取质量。

(3)计算柞蚕丝素水解率。

2、实验结果

从图4可知，当FeCl₃浓度逐渐增加时，柞蚕丝的水解率呈缓慢的上升趋势；当FeCl₃浓度继续升高至0.18mol/L时，柞蚕丝的水解率达到最高；当FeCl₃浓度再继续增大时，柞蚕丝的水解率基本保持不变。故此选择FeCl₃浓度为0.18mol/L作为短纤维制备的最佳浓度。

实施例2水解时间对柞蚕丝素水解率的影响

1、试验方法

(1)柞蚕茧壳脱胶：称取柞蚕茧壳10g，置于含500mL 1％Na₂CO₃的烧杯中，于100℃的条件下搅拌15min，脱胶结束后，用60℃蒸馏水冲洗干净。以上过程重复三次，得到脱胶柞蚕丝素，最后将其在75℃条件下干燥2.5h，扯松，获得网状丝素纤维。

(2)柞蚕丝素水解：取1g柞蚕丝素6份，加入30mL浓度为0.18mol/L的FeCl₃中，在温度为100℃条件下分别处理1h、2h、3h、4h、5h、6h，取出水解后的柞蚕丝素，置于布氏漏斗中，然后真空抽滤除去FeCl₃废液，用0.1mol/L盐酸洗涤吸附在短纤维表面的铁离子，用蒸馏水洗至洗涤废液为中性，然后在70℃条件下真空干燥得到柞蚕丝素短纤维，称取质量。

(3)计算柞蚕丝素水解率。

2、实验结果

从图5可知，当FeCl₃水解时间低于5h时，柞蚕丝素的水解率缓慢的上升；随着水解时间的继续增加，当水解时间为5h时，柞蚕丝素的水解率达到最大；再将水解时间继续延长至6h时，柞蚕丝素的水解率基本不变。故选择5h为最佳水解时间。

实施例3水解温度对柞蚕丝素水解率的影响

1、试验方法

(1)柞蚕茧壳脱胶：称取柞蚕茧壳10g，置于含500mL 1％Na₂CO₃的烧杯中，于100℃的条件下搅拌15min，脱胶结束后，用60℃蒸馏水冲洗干净。以上过程重复三次，得到脱胶柞蚕丝素，最后将其在75℃条件下干燥2.5h，扯松，获得网状丝素纤维。

(2)柞蚕丝素水解：取1g柞蚕丝素5份分别加入30mL浓度为0.18mol/L的FeCl₃中，分别在温度90℃、95℃、100℃、105℃、110℃中处理5h，取出水解后的柞蚕丝素，置于布氏漏斗中，然后真空抽滤除去FeCl₃废液，用0.1mol/L盐酸洗涤吸附在短纤维表面的铁离子，用蒸馏水洗至洗涤废液为中性，然后在70℃条件下真空干燥得到柞蚕丝素短纤维，称取质量。

(3)计算柞蚕丝素水解率。

2、实验结果

从图6可知，当水解温度低于105℃时，柞蚕丝的水解率呈显著增大的趋势；当水解温度升高到105℃时，柞蚕丝的水解率达到最大值0.6447mg/mL；将水解温度继续升高至110℃时，水解率基本保持不变。因此，用FeCl₃制备短纤维的最适水解温度为105℃。

实施例4FeCl₃溶液制备柞蚕丝素短纤维的正交试验

(1)根据正交试验设计方案安排试验，如表1所示。以水解率作为柞蚕丝素短纤维制备的指标，考察水解浓度(A)、水解时间(B)和水解温度(C)对柞蚕丝素短纤维制备的影响，结果见表2所示。从表2中可看到，三个因素对柞蚕丝素短纤维制备的影响关系为：水解温度(C)>水解浓度(A)>水解时间(B)。三个因素的最佳组合为A₂B₂C₂，即水解温度105℃、水解浓度0.18mol/L、水解时间5h。

(2)为进一步检验最佳组合A₂B₂C₂的真实性，再行表征实验，3次重复，FeCl₃溶液制备短纤维的水解率平均为0.6687mg/mL。

表1 FeCl₃制备柞蚕短纤维的正交试验设计

表2正交试验结果

以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。