超声波辅助离子液体处理提升家蚕-柞蚕丝蛋白复合纳米纤维的相容性、均匀性与功能特性

本研究针对家蚕丝素蛋白(BSF)与柞蚕丝素蛋白(TSF)复合材料的相分离问题，创新性地采用超声波辅助离子液体(EMIMAc)处理技术，通过空气纺丝制备了结构均匀的TSF/BSF复合纳米纤维膜。研究通过SEM、FTIR、XRD等表征手段证实，450 W超声处理显著增强了β-片层结晶含量(56.49%)，使热分解温度提升10.22°C，弹性模量提高1.63倍，并赋予材料优异的亲水性(接触角49.7°)和细胞活性(48小时增殖率163.72%)。该成果为开发高性能生物医用材料提供了新策略。

　　

在生物材料领域，天然丝素蛋白因其优异的生物相容性和可降解性备受关注。然而，家蚕(Bombyx mori)与柞蚕(Antheraea mylitta)丝素蛋白因氨基酸组成差异导致复合时出现相分离，严重影响材料性能。传统溶解方法如CaCl₂/甲酸体系不仅效率低，还会破坏蛋白结构。如何实现两种丝蛋白的均匀复合，成为开发生物医用材料的关键难题。

南京师范大学分析测试中心的研究团队在《Ultrasonics Sonochemistry》发表创新成果，通过超声波辅助离子液体(1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐，EMIMAc)处理技术，成功制备出结构均匀的TSF/BSF(3:1)复合纳米纤维膜。研究采用空气纺丝技术，结合150-600 W超声处理，系统考察了功率对材料性能的影响。

关键技术包括：(1)采用EMIMAc在125°C溶解丝蛋白；(2)超声细胞破碎仪(WM-1000T)处理30分钟；(3)空气纺丝设备(DQE750-24L)在0.9 MPa压力下制备纤维膜；(4)通过SEM、FTIR、XRD、¹³C NMR、DSC、TGA、AFM等多维度表征材料特性；(5)使用C2C12小鼠成肌细胞评估生物相容性。

【表面形貌】SEM显示未经处理的TB-0样品纤维直径分布不均(1.01-2.03 μm)，而450 W超声处理的TB-450纤维直径均匀(0.96±0.12 μm)，表面面积增加30.9%。这表明超声空化效应有效促进了分子链的均匀分散。

【结构特性】FTIR拟合分析发现，超声处理使β-片层含量从TB-0的50.76%提升至TB-450的56.49%，无规卷曲减少32.5%。¹³C NMR证实EMIMAc的C2/C4原子化学位移变化(△δ=0.32 ppm)，说明超声增强了离子液体与丝蛋白的氢键作用。

【热学性能】DSC显示450 W处理使复合材料的分解峰温(T_p1)提高7.49°C至296.85°C。TM-DSC证实超声消除了TB-0的双玻璃化转变现象，表明相分离得到有效抑制。

【机械性能】AFM纳米压痕测试表明，TB-450的硬度(17.46 GPa)和弹性模量(0.87 GPa)较TB-0分别提高68%和63%，这归因于β-片层结构的增强和分子链的紧密排列。

【生物学特性】450 W处理使水接触角降低至49.7°，48小时细胞增殖率达159.33%。蛋白酶降解实验显示TB-600的5天降解率(60.32%)显著高于TB-0(12.76%)，证实超声处理可调控材料降解性能。

该研究创新性地揭示了超声波通过三种机制改善复合材料性能：(1)空化效应破坏蛋白聚集态；(2)机械剪切力暴露极性基团；(3)热效应促进分子链重组。所开发的TSF/BSF复合膜兼具柞蚕丝的细胞亲和性(RGD序列)和家蚕丝的机械性能，为设计组织工程支架、药物载体等提供了新思路。特别是450 W超声处理使材料获得最优的综合性能，这一发现为绿色制备生物材料提供了重要技术参数。未来研究可进一步探索不同超声频率的影响，并开展动物实验验证其临床应用潜力。