천연 실크 섬유의 산화 및 나노 분산

결과 및 토론

실크 나노섬유의 산화 및 분리

그림 1a는 실크 섬유 재료에서 나노섬유를 분리하기 위한 전략을 보여줍니다. 우리는 먼저 포름산으로 처리하여 이러한 실크 섬유를 분해하는 전처리 공정을 사용했습니다(추가 파일 1:그림 S1의 라만 스펙트럼 및 추가 문서의 관련 논의에서 볼 수 있듯이 개미산과 아미노산 또는 하이드록실 그룹 사이에는 화학 반응이 발생하지 않았습니다. 파일). 이 전처리는 실크 섬유를 5-20 μm 너비의 극세사 구조로 분해했습니다(그림 1a). 그 다음, 분해된 실크 섬유를 산화/부분 용해(분해)시키기 위해 차아염소산나트륨(NaClO)을 사용하였다. TEMPO를 이용한 다당류의 TEMPO(2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxy-radical) 매개 산화 조건에 따라 수산화나트륨(NaOH)을 연속적으로 첨가하여 pH를 10으로 유지하였다. /NaClO/NaBr 시스템이지만, 이 경우 실크 피브로인 서열의 제한된 반응성 아미노산으로 인해 실크 섬유의 산화에 TEMPO 및 NaBr이 더 이상 필요하지 않았습니다. 초기 실크 섬유는 ~ 0.3 mM/g 단백질의 카르복실 농도를 가졌는데, 이는 분자 서열에서 아스파르트산과 글루탐산에 기인한 것입니다[27]. 그 후, 산화된 실크의 카르복실 함량은 세린 잔기의 히드록시메틸기의 산화로 인해 NaClO의 첨가 후 거의 선형으로 증가했습니다. NaClO 첨가가 20 mM/g 단백질에 도달했을 때, 산화된 실크의 최종 카르복실 농도는 BS 및 AS에 대해 각각 0.889 및 1.013 mM/g 단백질이었습니다(그림 1b, c). 그러나 과도한 양의 NaClO는 실크 섬유를 저하시킬 수 있습니다[28]. 예를 들어, BS 및 AS의 수불용성 분율은 20 mM/g 단백질의 NaClO 첨가에서 각각 58.52 및 69.30 wt%였습니다. 산화 후 수불용성 분획의 중량 손실은 산화 동안 제한된 분해와 관련하여 ≤ 10 mM/g 단백질의 NaClO 첨가가 허용 가능함(단백질의 75% 이상 남아 있음)을 시사했습니다. 따라서 우리는 BS 및 AS 섬유를 산화시키기 위해 단백질 그램당 10mM의 NaClO를 사용했으며, 여기서 카르복실레이트 함량은 BS 및 AS에 대해 각각 단백질 0.724 및 0.837mg/g입니다.

BS 및 AS의 SN 및 카르복실 함량의 공정 다이어그램. 아 실크 섬유를 실크 나노섬유(SN)로 산화 및 분산시키는 개략도. ㄴ Bombyx mori 산화 후 수불용성 분획물의 카르복실기 함량 및 잔량 중량 (BS) 차아염소산나트륨(NaClO)의 첨가에 해당합니다. 카르복실 함량은 0.293에서 0.889 mM/g BS로 증가했으며(NaClO 첨가는 20 mM/g 단백질임) 58.52 wt%의 단백질이 남아 있었습니다. ㄷ Antheraea pernyi용 실크(AS). 카르복실 함량은 0.347에서 1.013 mM/g AS(NaClO 첨가는 20 mM/g 단백질임)로 증가했으며 69.30 wt%의 단백질이 남아 있습니다.

마지막으로 수불용성 분획을 초음파 균질기로 처리한 후 나노섬유를 얻었다(그림 2). 주사 전자 현미경 관찰 결과 산화는 실크를 미세 수준에서 느슨하게 하여 직경이 수 마이크론인 섬유를 형성하고 초음파 처리는 직경 105 ± 27 nm의 나노섬유로 더 분산시키는 것으로 나타났습니다(그림 2c). 대부분 실크 섬유의 표면층을 박리하는 다른 공정[24]과 비교하여, 산화된 실크의 정전기적 반발력으로 인해 나노섬유에 대해 산화된 실크를 기준으로 ~ 50%의 최종 수율이 얻어졌습니다. AS 섬유에도 유사한 전략이 적용되었습니다. 생성된 AS 나노섬유의 직경은 112 ± 33 nm이었고, 윤곽 길이는 1 μm 이상이었다(그림 2f).

각 공정에서 생성된 실크 섬유의 대표적인 SEM 관찰. 아 개미산 전처리 후 분해된 BS 섬유, b 산화된 BS 섬유 및 c 직경이 105 ± 27 nm인 BS 나노섬유. d 개미산 전처리 후 분해된 AS 섬유, e 산화된 AS 섬유 및 f 직경이 112 ± 33 nm인 AS 나노섬유. BS 및 AS 나노섬유의 윤곽 길이는 1 μm 이상입니다.

실크 섬유의 결정도

실크 단백질 분자는 친수성-소수성-친수성 고분자로 작용하여 소수성 코어(결정성 영역)에서 뻗어 나온 친수성 비드(비정질 영역)가 형성되는 동안 불규칙한 크기의 미셀로 접힙니다. SN은 미셀 사이의 외부 영역의 접착으로 인해 조립되었습니다. 그러나 실크 섬유의 NaClO 산화는 나노구조 사이의 약한 접착을 제안한다고 제안된다[25]. 그림 3a 및 b에서 볼 수 있듯이 산화 후 산화된 BS 섬유의 X선 회절(XRD) 패턴은 원래 패턴과 유사했으며 산화된 AS 섬유의 XRD 패턴도 유사했습니다. 따라서 산화된 실크 섬유는 천연 나노 빌딩 블록, 즉 실크 섬유의 β-시트 구조로 남아 있습니다. 반면에, 이러한 XRD 패턴의 디콘볼루션(그림 3c, d)은 산화 후 BS 및 AS 섬유 모두에서 결정도의 상당한 변화를 시사했으며 세부 사항은 표 1에 나열되어 있습니다. 산화는 주로 세린 잔기에서 발생했지만 실크 단백질의 경우 NaClO의 공격을 받을 수 있는 무정형 영역에 여러 아미노기가 있었습니다[29]. 따라서 표 1의 산화된 BS 섬유의 결정도가 24.8%(분해된 BS)에서 41.3%(10mM/g의 단백질 NaClO 첨가)로 증가하고 카르복실 함량이 증가함을 이해할 수 있습니다. 산화된 AS 섬유의 경우에도 유사한 경향이 나타났으며, 이 AS 섬유의 결정도는 22.9%에서 39.2%로 증가했습니다. 결과는 정전기적 반발력 외에도 실크 단백질의 비정질 영역의 파괴가 SN을 분산시키는 데 중요한 요소임을 시사합니다. 산화된 실크 섬유(BS 및 AS 모두)의 결정도는 NaClO 첨가가 <10 mM/g 단백질일 때 카르복실 함량의 증가로 이어졌습니다. 비정질 영역의 분해는 실크 단백질의 결정화된 코어보다 먼저 발생합니다. 그러나 과도한 양의 NaClO(20 mM/g 단백질)는 실크를 분해할 수 있습니다. 이 현상은 그림 1b 및 c에서 밝혀진 결과와 잘 일치합니다.

산화된 실크 섬유의 XRD 분석. a의 X선 회절(XRD) 패턴 학사 및 b 다양한 NaClO 첨가로 산화된 AS. c의 대표적인 디콘볼루션 및 결과 학사 및 d AS 자료

실크 나노섬유의 성능

10mM NaClO 산화 실크 섬유의 초음파 처리로 얻은 산화 BS 및 AS 나노 섬유의 형태는 그림 4a 및 b에 나와 있습니다. BS 및 AS 나노섬유는 유사한 종횡비(ImageJ 소프트웨어로 계산)를 가지며, 평균 BS 나노섬유의 경우 16.92이고 AS 나노섬유의 경우 각각 19.12입니다. 비교하여, TEMPO 매개 산화를 사용하여 제조된 셀룰로오스 나노섬유(CNs)와 키틴 나노섬유(ChNs)를 그림 4c와 d. 이러한 SN을 추가로 특성화하기 위해 용매 증발 방법을 사용하여 약 50μm 두께의 막을 주조했습니다. UV-Vis(350~800 nm) 분광광도계를 사용하여 광학적으로 투명한(75% 투과 이상) 실크 멤브레인을 평가했습니다(그림 4e).

SN, CN 및 ChN의 형태 및 속성 테스트. 결과 a의 투과 전자 현미경(TEM) 관찰 학사 및 b 10 mM/g 단백질 NaClO 첨가에 의해 산화된 AS 나노섬유, c 셀룰로오스 나노섬유(CN) 및 d TEMPO 매개 산화에 의해 달성된 키틴 나노섬유(ChNs). 눈금 막대는 500 nm입니다. 이 BS, AS, 셀룰로오스(CN) 및 키틴(ChN) 나노섬유에 의해 주조되는 약 50μm 두께 멤브레인의 UV-Vis 투과율. 에 BS, AS, CN 및 ChN 나노섬유에 의해 주조되는 약 50μm 두께 멤브레인의 대표적인 응력-변형률 곡선. 지 BS, AS, CN 및 ChN 나노섬유에서 주조되는 막의 영률. 데이터는 평균 SD를 나타냅니다(n =5). 아 –k f에 의해 주조된 멤브레인의 물 접촉각 BS 나노섬유는 58.8 ± 1.5°로 재생된 BS 멤브레인(71.0 ± 0.3°, 삽입 이미지)보다 현저히 감소했습니다. 55.7 ± 0.5, 40.3 ± 1.1, 52.5 ± 0.6°의 물 접촉각은 AS, CN 및 ChN 멤브레인에서 각각 제시되었습니다.

이 다운사이징 방법으로 얻은 나노 섬유는 높은 결정 구조와 높은 종횡비를 유지했습니다. 결과적으로, 이 멤브레인은 CN 및 ChN 멤브레인(대표 균주 및 응력 곡선은 그림 4f에 나와 있습니다. 또한, BS 멤브레인의 습윤 특성은 카르복실기의 도입으로 인해 재생 멤브레인에서 크게 향상되었습니다. 그림 4h에서 볼 수 있듯이 BS 나노섬유 캐스팅 멤브레인의 물 접촉각은 58.8 ± 1.5°인 반면 재생된 BS 멤브레인(그림 4h의 삽입 이미지)은 71.0 ± 0.3°입니다. 또한, 물 접촉각은 각각 55.7 ± 0.5, 40.3 ± 1.1 및 52.5 ± 0.6°로 AS(그림 4i), CN(그림 4j) 및 ChN(그림 4k) 막에서 제시되었습니다.

CN 및 ChN 및 실크 장치는 유사한 기계적 견고성, 가공 가소성 및 생화학적 특성 등으로 인해 수십 년 동안 재료 과학에 광범위하게 적용되었습니다. 물론 이러한 다당류 및 단백질 기반 물질. 따라서 우리는 그들의 차이점이 나노섬유 형성을 어떻게 조절하는지 궁금했습니다. 적절하게 분산된 BS 및 AS 분산은 중성 조건에서 각각 - 39.5 ± 0.66 및 - 37.4 ± 2.4 mV의 제타 전위를 가졌다. 카르복실기 사이의 정전기적 반발은 실크 마이크로/나노 피브릴 계면 사이의 접착에 반대입니다. 따라서 이러한 나노섬유는 수상에 균일하게 분산됩니다. 흥미롭게도 pH가 감소하면 H ⁺ 도 5a 및 b에 도시된 바와 같이 나노섬유의 응집을 유도하는 음으로 대전된 표면을 차폐하였다. SN의 응집체는 pH> 7을 조정하여 물에 재분산되거나 원심분리 후 쉽게 수집된 다음 약간 교반하면서 재분산될 수 있습니다. 그림 5의 하단 차트는 다양한 pH 조건에서 수집된 SN 응집체의 남은 무게를 보여줍니다. BS의 경우, 응집체의 80.1 ± 1.7 및 90.9 ± 2.2 wt%(AS의 경우 85.7 ± 2.2 및 93.6 ± 1.5 wt%)가 pH 5 및 3에서 각각 회수되었습니다. 한편, 이 과정은 ~ 0.2 wt%의 농도로 초기 분산에 비해 약 100배(~ 20 wt%)로 SN을 집중시켰다. SN의 이러한 매력적인 특성은 (i) 단백질 기반 물질의 고유한 pH 반응 및 (ii) 응집 및 재분산 과정 동안 연질 물질 SN의 유연성에 기인합니다. 응집-재분산 현상은 약물 로딩 및 방출 담체로서 이러한 SN의 유망한 응용을 제안했습니다. 또한 결과 SN이 보관 및 운송에 매우 적합하다는 데에는 이의가 없습니다.

SN의 재분산 과정. a의 pH 반응 현상 사진 학사 및 b AS 나노섬유. 80 wt% 이상의 단백질(BS 및 AS 모두)이 원심분리 후 남아 있었고 단백질 함량은 ~ 20 wt%