CC BY
38
ФОРМИРОВАНИЕ ФИБРОИН-КРЕМНЕЗЕМНОГО НАНОКОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА
В ЗОЛЬ-ГЕЛЬ ПРОЦЕССЕ
Шакарова Дилшода Шомурадовна
канд. хим. наук, ст. науч. сотр. Института общей и неорганической химии, АН РУз.,
Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: shakarova@yahoo. com
FORMATION OF FIBROIN-SILICA NANOCOMPOSITE MATERIAL IN SOL-GEL PROCESS
Dilshoda Shakarova
PhD, senior researcher, Institute of General and Inorganic Chemistry, UzAS
Uzbekistan, Tashkent
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 нано-композит.
Keywords: fibroin, tetraethoxysilane, silicasol, sol-gel process, fibroin-silica nanocomposites.
Введение. Тенденция к направленному изменению свойств и улучшению качеств природных биополимеров вызвало появление новых наноструктури-рованных 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 промыш-ленностях [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]. Биоразлагае-мость 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 сила-нольными 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
Библиографическое описание: Шакарова Д. Формирование фиброин-кремнеземного нанокомпозитного материала в золь-гель процессе // Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. 2020. № 4(70). URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/9194
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 МН40Н. 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 нано-метровых размеров (Рис. 1).
Рисунок 1. СЭМ микрофотография образца фиброин-кремнеземного материала
Для идентификации образцов фиброин-кренем-земного 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 и (0Н-) силанольных групп, а также широкой полосой в области 1030-1220 см-1 с пиком при 1090 см-1, относящейся к валентным колебаниям и(81-0) силаксановых групп Si-0-Si. Характеристические частоты поглощения для функциональных групп макромолекул фиброина в области 3273-2936 см-1 относятся к валентным колебаниям и(ЫН) 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 81-ОН 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 ^Н - группами макромолекул фиброина с Si-ОН группами кремнезема посредством водородных
связей, что приводит, вероятно, к изменению упорядоченной структуры макромолекул фиброина и сни-
жению кристалличности. Рентгеноструктурный анализ образцов фиброин-кремнеземного нанокомпо-зитного 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 29 пики при 200 и 240, соответствующих р - конформации, то на дифрактограммах образцов фиброин-кремнеземных нанокомпозитов отсутствует 29 пик при 240 и наблюдается более широкий диапазон 29, что по существу является аморфным рефлексом.
Заключение. На основании полученных результатов можно заключить, что формирование наноком-позитного материала на основе геля фиброина и си-ликазоля в присутствии МН4ОИ, в качестве
катализатора происходит образование наноглобуляр-ных 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, Yucel 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.
