羊毛织物防毡缩整理及羊毛角蛋白的生物医用研究

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羊毛纤维表面鳞片层的存在使得羊毛织物在水洗受到机械外力时纤维发生毡缩。羊毛纤维主体几乎全部由角蛋白构成,角蛋白且具有大量的活性基团,能够与各种交联剂以及纳米贵金属产生相互作用。其较好的生物相容性以及生物可降解性使得它在纺织、生物医药等领域均具有广泛的应用。本文的研究分为两大部分,第一部分是开展角蛋白对羊毛织物的无氯防毡缩研究,第二部分是探索角蛋白包覆纳米金棒在生物医药中的潜在应用。首先,采用碱性蛋白酶从羊毛织物中提取角蛋白多肽(KPs),依据L-半胱氨酸具有还原性的巯基,且生态环保,采用其在一定条件下对羊毛织物预处理,破坏羊毛纤维表面的二硫键,提高纤维反应性。随后将提取的KPs交联至预处理后的羊毛织物表面,用于对羊毛织物的防毡缩处理,并将KPs循环回用,降低毡缩率的同时使整理过程更加环保。在此研究中探讨了最佳酶活条件为pH 8.0,温度60℃,并且在酶用量为2.0 mg/mL时角蛋白的提取效率最高,为51.5%。通过凝胶渗透色谱(GPC)测试得此条件下提取的角蛋白重均分子量为5271,因此含有大量的多肽,提取的角蛋白溶液为角蛋白多肽溶液。结合织物的强力、毡缩率等探讨了L-半胱氨酸对羊毛织物的预处理最佳工艺,此时织物的面积毡缩率降低至7.8%左右,随后采用KPs对织物进行浸渍整理,收集浸渍后的KPs残液,将KPs整理后的织物浸渍交联剂甘油二缩水甘油醚(GDE),随后进行焙烘完成整理,将收集的KPs残液通过补加新鲜KPs的方式循环回用。通过分析KPs交联整理前后以及循环回用KPs对织物的性能的影响,探讨KPs交联整理的效果。结果表明经10 g/L的GDE交联KPs后整理的织物面积毡缩率仅0.3%,而且柔软度相对原布有所改善,亲水性也有所提高,织物的失重和强力损伤均在接受范围之内,KPs循环回用10次对整理后织物的性能几乎无影响,仅KPs的分子量略有降低。通过X射线电子能谱(XPS),拉曼光谱(Raman)对整理前后的织物表面进行分析,经L-半胱氨酸预处理后织物表面鳞片层遭到破坏,纤维表面活性基团暴露出来,二硫键含量有所降低,氧元素含量有显著提高,碳元素含量显著降低。经过KPs交联整理后,KPs能有效填塞织物的鳞片层间隙并交联覆盖在纤维表面,由于KPs中存在的大量-OH,-NH2以及-COOH等基团有效提高了织物表面的亲水性。KPs的循环回用不影响最终织物的整理效果。其次,水性聚氨酯(WPU)作为常用的无氯防毡缩整理剂有较好的防毡缩效果,但往往用量过高,整理后的织物手感较差,可采用增强WPU的方法降低WPU的用量改善整理后织物手感。基于酶法提取的角蛋白多肽具有较好的水溶性和活性-NH2,-COOH等基团,理论上与WPU具有较好的相容性并能够和WPU中的-NCO基团形成交联。因此,将上述提取的KPs与工业水性聚氨酯(WPU-1)复配后对羊毛织物进行防毡缩整理。探讨了WPU-1浓度以及KPs用量对织物性能的影响。仅使用WPU-1对织物整理时,达到服用标准时的用量约为110 g/L,此时织物虽具有较好防毡缩效果,但手感较差。当WPU-1用量为50 g/L时加入4%的KPs进行整理,此时织物的毡缩率、强力基本和110 g/L纯WPU-1的整理效果相当,降低了55%的WPU-1用量,同时织物手感得到改善。将WPU-1和KPs复配成膜,探讨KPs降低WPU-1用量的机理。通过对复合膜进行强力、动态机械热分析(DMA)等测试表明当KPs的添加量为2%和4%时,复合膜在玻璃化温度附近的储能模量相对纯WPU-1分别增加了2倍和1.5倍,加入2%的KPs时相对纯WPU-1膜,复合膜的断裂强力提升了55.6%。说明KPs对WPU-1有显著的增强效果,通过红外光谱(FTIR)可以看出复合膜机械强力的提升主要是因为KPs中含有的-NH2和-COOH等基团能够和WPU-1中的-NCO形成交联或与其中的羰基形成较强的氢键作用。同时基于KPs较好的生物相容性,使得WPU-1/KPs复合膜的生物相容性有所改善说明复合乳液更加环保,即经WPU-1/KPs复合乳液整理的织物被丢弃后更加容易被生物降解。此外,基于增强WPU-1,进而能够降低WPU-1对羊毛织物防毡缩整理时的用量的原理,尝试了采用氨基改性空心纳米二氧化硅(HSNs-NH2)增强WPU-1用于羊毛织物防毡缩整理,获得了较好的防毡缩效果,并改善了整理后织物的手感。最后研究了角蛋白材料包覆纳米金棒的应用。鉴于前述L-半胱氨酸对羊毛纤维的预处理效果显著,破坏纤维肽链并产生二硫键的交换,以及自由巯基,而此类基团能够与纳米金棒形成稳定的键合。因此采用L-半胱氨酸在一定条件下从羊毛纤维中提取角蛋白,利用角蛋白中含有的自由巯基以及二硫键包覆种子法制备的纳米金棒,探索角蛋白在生物医药中的应用。采用L-半胱氨酸从羊毛纤维中提取的角蛋白有较好的水溶性,并含有约0.25 mM/g的巯基,将其溶解后包覆种子生长法制备的纳米金棒,通过TEM以及粒径分析表明制备的纳米金棒粒径为55 nm左右。通过AuNRs@Kr和AuNRs的粒径、TG、紫外-可见光谱、zeta-电位测试等表明角蛋白有效包覆了纳米金棒(AuNRs@Kr),并提升了其在PBS以及培养基中的稳定性。AuNRs@Kr对小鼠成纤细胞具有较低的细胞毒性并且有较好的血液相容性,采用808 nm激光(NIR)对AuNRs@Kr照射表明其具有较好的光热效果。在AuNRs@Kr中载入盐酸阿霉素(AuNRs@Kr-DOX)后探讨了pH、NIR以及谷胱甘肽(GSH)环境下的药物释放行为,结果表明AuNRs@Kr-DOX具有pH/NIR/GSH三种响应性。并通过流式细胞仪以及激光共聚焦显微镜(LCSM)对药物释放行为进行定性分析。表明纯DOX较容易穿透细胞膜和细胞核结合,而AuNRs@Kr-DOX则主要分布在细胞的核内体和溶酶体。从荧光显微镜和细胞毒性分析可知,采用AuNRs@Kr-DOX+NIR对4T1细胞的治疗效果远好于单独的DOX化学治疗或者单独的AuNRs@Kr光热治疗效果。
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