Формирование фиброин-кремнеземного нанокомпозитного материала в золь-гель процессе

АННОТАЦИЯ

В данной статье приводятся результаты исследования по формированию нанокомпозитного материала на основе геля фиброина и силиказоля в присутствии NH₄OH в качестве катализатора процесса. Полученные образцы охарактеризованы методами сканирующей электронной микроскопии, рентгенографии и ИК спектрометрии. Результаты анализа показали изменения в структуре макромолекул фиброина в составе нанокомпозита, выраженной в аморфизации фиброиновой составляющей.

ABSTRACT

This paper presents the results of the research on the formation of nanocomposite material based on fibroin gel and silicasol in the presence of NH₄OH as a catalyst of the process. The results of the analysis showed the changes in the structure of fibroin macromolecules of nanocomposite, pronounced on the amorphization of fibroin component.

Ключевые слова: фиброин, тетраэтоксисилан, силиказоль, золь-гель процесс, фиброин-кремнеземный нанокомпозит.

Keywords: fibroin, tetraethoxysilane, silicasol, sol-gel process, fibroin-silica nanocomposites.

Введение. Тенденция к направленному изменению свойств и улучшению качеств природных биополимеров вызвало появление новых наноструктурированных композиционных материалов, к получению которых применяются различные подходы. Универсальным подходом к их получению является золь-гель технология. При этом полученные наногибридные материалы проявляют, как правило, синергизм свойств исходных компонентов и обладают хорошими термохимическими, реологическими, оптическими и другими характеристиками, важными при формировании из них различной продукции в химической, оптической (пленки, мембраны) фармакологической, парфюмерной промышленностях [1]. Одним из широко изучаемых биополимеров для таких целей является фиброин шелка благодаря его уникальным физическим и химическим свойствам и хорошей биологической совместимости [2,3]. Исследования по созданию биоматериалов из фиброина шелка проводятся, в основном, для биомедицинских применений [4]. Биоразлагаемость композитов фиброина шелка с полимерами привлекательна для изготовления электрохимических сенсоров [5]. Особый интерес представляют нанокомпозиты, состоящие из фиброина шелка и кремнезема, получаемые золь-гель методом [6,7]. Нанокомпозитные материалы, в зависимости от природы исходных компонентов и выбранной схемы процедуры синтеза, характеризуются наличием в структуре ванн-дер-вальсовых, водородных связей, гидрофобно-гидрофильных взаимодействий, а также ковалентных или ионных связей [8]. Макромолекулы фиброина, благодаря наличию различных функциональных групп, способны взаимодействовать с силанольными группами кремнезема с образованием прочных водородных связей. Поэтому целью настоящей работы ставилось исследовать формирование структуры фиброин-кремнеземного нанокомпозита в системе силиказоль-гель фиброина.

Методы и материалы

Материалы

Фиброин шелка (ФБ) получен из коконов тутового шелкопряда (Самарканд, Узбекистан). Тетраэтоксисилан (ТЭОС, e- Merck, Germany). Очищенные от серицина фиброиновые волокна по методике [9] растворяли в 9,0 М раствора LiBr при 75 °С в течение 2 часов, затем супернатант диализировали против дистиллированной воды для удаления LiBr. После определения концентрации фиброина в полученном растворе был приготовлен 3 %-ный коллоидный раствор для дальнейшего использования.

Силиказоль приготовлен из тетраэтоксисилана золь-гель методом при следующем соотношении реагентов: 6 мл ТЭОС: 1,5 мл H₂O: 0,3 мл 0,02 н HCl: 1,8 мл С₂N₅OH по известного методике [10].

Методы исследования

Использованы ИК – спетрометр (Bruker Tensor 27), дифрактометр (X-ray) (Panalytycal B.V. ALMELO), электронный микроскоп (JEOL JSM – 5200 Japan ).

Получение фиброинкремнеземной наногибридной мембраны

Образцы фиброин-кремнеземных наногибридов получены путем смешения в течение 10 мин. при 35 ⁰С растворов фиброина и силиказоля при различных массовых соотношениях фиброина и кремнезема в присутствии каталитических количеств NH₄OH. Приготовленные смеси выливали в чашки Петри и сушили при комнатной температуре.

Результаты и обсуждение

Морфологического исследование образцов фиброин-кремнеземного композитного материала показало наличие в структуре глобулярных частиц нанометровых размеров (Рис.1).

Рисунок 1. СЭМ микрофотография образца фиброин-кремнеземного материала

Для идентификации образцов фиброин-кренемземного нанокомпозита проводили исследование их ИК спектров в сравнение с ИК спектрами кремнезема и чистого фиброина (Рис.2).

ИК спектр кремнезема характеризуется широкой полосой с пиком при  3440 см^-1, относящейся к валентным колебаниям u (OH-) силанольных групп, а также широкой полосой в области 1030-1220 см^-1 с пиком при 1090 см^-1, относящейся к валентным колебаниям u(Si-O) силаксановых групп Si-O-Si. Характеристические частоты поглощения для функциональных групп макромолекул фиброина в области 3273-2936 см^-1 относятся к валентным колебаниям u(NH) групп. Частота поглощения сильной интенсивности при 1638 см^-1 соответствует к валентным колебаниям групп Амид I, при 1516 см^-1 - полосе Амид II, а частота при 1236 см^-1 соответствует полосе Амид III. В ИК спектрах образцов фиброин-кремнеземных нанокомпозитов наблюдается наличие полосы с пиком при 1090 см^-1, но отсутствие полосы поглощения при 3440 см^-1, относящийся к валентным колебаниям Si-OH групп. Для фиброинового компонента в ИК спектре наблюдается значительное снижение интенсивности частот поглощения, характерных для групп Амид I, Амид II, и Амид III.

Рисунок 2. ИК спектры образцов: 1 - фиброин; 2 - силикагель; 3 – фиброин-кремнеземный нанокомпозит Ф: силиказоль (4: 1); 4 - фиброин-кремнеземный композит Ф: силиказоль (3: 1).

Это свидетельствует о наличии взаимодействия между NH – группами макромолекул фиброина с Si-OH группами кремнезема посредством водородных связей, что приводит, вероятно, к изменению упорядоченной структуры макромолекул фиброина и снижению кристалличности. Рентгеноструктурный анализ образцов фиброин-кремнеземного нанокомпозитного материала подтверждает это (Рис.2).

Рисунок 3 Дифрактограммы образцов: 1 - фиброин; 2 - фиброин-кремнеземный нанокомпозит в соотношении Ф: силиказоль (3: 1); с - фиброин-кремнеземный нанокомпозит в соотношении Ф: силиказоль (4: 1)

Так, если на дифрактограмме чистого фиброина наблюдаются  2θ пики при 20⁰ и 24⁰, соответствующих b - конформации, то на дифрактограммах образцов фиброин-кремнеземных нанокомпозитов отсутствует 2θ пик при 24⁰ и наблюдается более широкий диапазон 2θ, что по существу является аморфным рефлексом.

Заключение. На основании полученных результатов можно заключить, что формирование нанокомпозитного материала на основе геля фиброина и силиказоля в присутствии NH₄OH, в качестве катализатора происходит образование наноглобулярных частиц. В результаты взаимодействия макромолекул фиброина с частицами силиказоля происходит изменение структуры фиброиновой составляющей, выраженной в снижении её кристалличности вплоть до аморфного состояния, о чем свидетельствуют результаты рентгенографического и ИК спектрального методов анализа.

Список литературы:
1. Velu R., Calais T., Jayakumar A.. A comprehensive Review on Biomaterials for Medical Implants and Feasibility Studies on Fabrication of such Implants by Additive Manufacturing Technique. Materials – 2020. - 13, 92; doi: 10.3399/ma13010092.
2. Vepari C., Kaplan D.L. Silk as a Biomaterial// Prog. Polym Sci. - 2007; -32. - P.991-1007.
3. Hardy J. Scheibei T. Composite materials Based on Silk Proteins// Prog.Polym. Sci. – 2010. – 35. - P.1093-1115.
4. Kundu B., Kurland N., Bano S., Patra C., Engel F.B., Yadavalli V.K., Kundu S.C. Silk proteins for biomedical applications// Bioengineering perspectives. Prog. Polym. Sci. – 2014. – 39. - P.251-267.
5. Pal R., Farghaly A., Wang C., Collinson M., Kundu S. C, Yadalli V. Conducting polymer-silk biocomposites for flexible and biodegradable electrochemical sensors//Biosens. Bioelectron – 2016. – 81. - P.294-302.
6. Princy A., Presectha P. Synthesis characterization of silk/surface modified silica nanocomposites using sol-gel technique for bone// Application. Int.J. Pharm. Sci. Rer.Res. – 2016. - 38(2) - P. 252-255.
7. Meeszawska A.J., Fourligaz N., Georgankoudi I., Ouhib N.M., Belton D.J., Perry C.C, Kaplan D.L. Osteoinductive silk-silica composite biomaterials for bone regeneration// Biomaterials. – 2010. – 31. -P.8902-8910.
8. Помогайло А. Д. Гибридные полимер-неорганические нанокомпозиты//Успехи химии – 2000. - №1 (69) - С.60-89.
9. Rockwood D.N, Preda R.C, Yücel T., Wang X., Lovett M.L., Kaplan D.L. Materials fabrication from Bombyx mori silk fibroin// Nat Protoc 6 – 2011.- P.1612–1631.
10. Chun L., Tieling X. Synergistic Effects and Mechanism of Modified Silica Sol Flame Retardant Systems on Silk Fabric// Materials – 2018. - 11(10). - 1842; https://doi.org/10.3390/ma11101842.