戊二醛交聯(lián)改性鼠尾I型膠原纖維的結(jié)構(gòu)與性能研究

張積財(cái)，丁長(zhǎng)坤，楊 寧，賈 堤，程博聞

(天津工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院改性與功能纖維天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

戊二醛交聯(lián)改性鼠尾I型膠原纖維的結(jié)構(gòu)與性能研究

張積財(cái)，丁長(zhǎng)坤*，楊 寧，賈 堤，程博聞

(天津工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院改性與功能纖維天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

以自制的鼠尾I型膠原為原料，經(jīng)濕法紡絲制備膠原纖維，采用戊二醛蒸氣對(duì)膠原纖維進(jìn)行交聯(lián)改性處理，對(duì)交聯(lián)改性前后纖維的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了表征。結(jié)果表明：經(jīng)戊二醛交聯(lián)改性處理后，膠原纖維的斷裂強(qiáng)度得到提高，與未交聯(lián)膠原纖維相比，交聯(lián)處理20 min的膠原纖維斷裂強(qiáng)度提高了15.8%；交聯(lián)改性膠原纖維抗水性明顯提高，交聯(lián)20 min后，吸水率明顯減小且趨于穩(wěn)定；戊二醛在膠原纖維表面發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，交聯(lián)改性膠原纖維的三股螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性提高。

膠原纖維 戊二醛 交聯(lián)改性 力學(xué)性能 熱穩(wěn)定性 吸水性能

膠原蛋白主要存在于動(dòng)物的皮、骨、肌腱等組織中，占體內(nèi)蛋白質(zhì)總量的25%～33%[1]，具有良好的生物相容性、生物可降解性和低抗原性[2-4]，廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)、醫(yī)療、化妝品等方面[5-6]。雖然膠原優(yōu)異的物理、化學(xué)性質(zhì)受到廣泛重視和應(yīng)用，但膠原與其他天然材料一樣存在一定的性能缺陷，如：膠原容易受熱變性、機(jī)械性能和抗水性差、在生物體內(nèi)的降解速度難以調(diào)節(jié)等，在許多場(chǎng)合下都無(wú)法很好地滿足應(yīng)用要求，嚴(yán)重限制了膠原材料的應(yīng)用范圍。為了滿足實(shí)際應(yīng)用對(duì)膠原材料性能多樣性的要求，所以需要對(duì)膠原材料進(jìn)行一定程度的改性[7]。目前，膠原蛋白的改性方法主要有物理交聯(lián)、化學(xué)交聯(lián)以及與其他高分子材料共混等[8-10]。戊二醛是一種常用的高效交聯(lián)劑，水溶性良好，具有雙官能團(tuán)且價(jià)格低廉。戊二醛的兩個(gè)醛基可分別與相同或不同膠原分子的兩個(gè)伯氨基形成希夫堿，形成以五元環(huán)的方式連接起來(lái)的分子內(nèi)或分子間的交聯(lián)鍵[11-12]，有效提高膠原蛋白的熱穩(wěn)定性與力學(xué)性能。由于自制膠原纖維抗水性較差，如若采用液相醛化，膠原纖維會(huì)吸水溶脹，破壞膠原纖維結(jié)構(gòu)，作者通過(guò)戊二醛蒸氣對(duì)膠原纖維進(jìn)行交聯(lián)處理，分析了不同交聯(lián)時(shí)間對(duì)膠原纖維形貌、力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和吸水性能等性質(zhì)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料與試劑

鼠尾I型膠原：相對(duì)分子質(zhì)量約為3×105，自制；戊二醛、醋酸、丙酮、氨水：分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司提供。

1.2 膠原纖維的制備及其交聯(lián)改性

將膠原溶于0.5 mol/L 醋酸溶液中，離心脫泡得到膠原質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%的紡絲液。以丙酮為凝固浴，氨水調(diào)節(jié)pH值為8～9，通過(guò)濕法紡絲制備膠原初生纖維，將其懸掛在自重下自然風(fēng)干得到膠原纖維。利用戊二醛易揮發(fā)的特點(diǎn)，將膠原纖維置于封閉的容器中，纖維不與戊二醛溶液接觸，利用戊二醛蒸氣對(duì)其進(jìn)行交聯(lián)改性處理，常溫下交聯(lián)10，20，30，40，50 min，得到的戊二醛交聯(lián)改性膠原纖維試樣分別標(biāo)記為1#，2#，3#，4#，5#，未交聯(lián)改性的膠原纖維標(biāo)記為0#試樣。

1.3 分析與測(cè)試

紅外光譜(FTIR)：將冷凍干燥后的纖維試樣少許與KBr粉末一起放入瑪瑙研缽中研碎，纖維和KBr質(zhì)量比約為1:100，然后進(jìn)行壓片，用德國(guó)布魯克TENSOR37型傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試波數(shù)為400～4 000 cm-1，間隔為2 cm-1。

力學(xué)性能：采用萊州電子儀器有限公司LLY-06型電子單纖維強(qiáng)力儀測(cè)試。試樣長(zhǎng)度10 mm，拉伸速率10 mm/min，重復(fù)10次取平均值。

表面形態(tài)：采用日本日立公司S- 4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)觀察膠原纖維交聯(lián)前后的表面形貌。觀察前纖維表面經(jīng)噴金處理，加速電壓為10 kV。

吸水性能：取一定質(zhì)量(W1)的纖維放入蒸餾水中10 min，取出后去除纖維表面的水分，稱重(W2)，計(jì)算吸水率(S)，見式(1)：

S=(W2-W1)/W1×100%

(1)

熱穩(wěn)定性：采用Netzsch公司STA409 PC/PG型熱重(TG)分析儀進(jìn)行測(cè)試，在氮?dú)猸h(huán)境中以10 ℃/min的升溫速率從30 ℃加熱到800 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 FTIR分析

從圖1可以看出：純膠原纖維在3 436 cm-1為酰胺A峰(N—H伸縮振動(dòng))，2 930 cm-1為酰胺B峰(CH2伸縮振動(dòng))，1 634 cm-1為酰胺I峰(C＝O伸縮振動(dòng))，1 551 cm-1為酰胺Ⅱ峰 (N—H彎曲振動(dòng)，C—N伸縮振動(dòng))，1 253 cm-1為酰胺Ⅲ峰(C—N 伸縮振動(dòng)和N—H 彎曲振動(dòng))，這5個(gè)峰為膠原的主要特征峰[13-15]；交聯(lián)改性膠原纖維與膠原三股螺旋結(jié)構(gòu)相關(guān)的酰胺I帶的位置和強(qiáng)度未發(fā)生明顯的變化，并且仍然具有較高的吸收強(qiáng)度，表明交聯(lián)前后膠原的三股螺旋結(jié)構(gòu)保存完好；與未交聯(lián)的膠原纖維比較，在交聯(lián)10 min和20 min后，1 754 cm-1處出現(xiàn)了新峰，而在30 min以后該峰消失。

圖1 膠原纖維試樣的FTIR圖譜Fig.1 FTIR spectra of collagen fibers

這是因?yàn)槲於殡p官能團(tuán)的交聯(lián)劑，其含有兩個(gè)醛基，在戊二醛與膠原分子反應(yīng)的過(guò)程中，存在單點(diǎn)和雙點(diǎn)結(jié)合，單點(diǎn)反應(yīng)即戊二醛中的一個(gè)醛基參與反應(yīng)，另外一個(gè)醛基并未發(fā)生反應(yīng)，從而在膠原分子上引入了游離的醛基，在1 754 cm-1處出現(xiàn)了醛基的C＝O的伸縮振動(dòng)峰，而在交聯(lián)20 min后，交聯(lián)反應(yīng)接近終點(diǎn)，戊二醛在膠原的表面可能發(fā)生縮合反應(yīng)，降低膠原表面醛基含量，所以在交聯(lián)30 min后此處的峰消失[11-12]。

2.2 力學(xué)性能

從圖2可看出：膠原纖維的斷裂強(qiáng)度隨交聯(lián)時(shí)間的增加呈先增加后減小趨勢(shì)，在交聯(lián)時(shí)間為20 min時(shí)，斷裂強(qiáng)度達(dá)到最大值為0.88 cN/dtex，與未交聯(lián)的膠原纖維相比提高了15.8%；在交聯(lián)前10 min內(nèi)，膠原分子與戊二醛的反應(yīng)程度較低，力學(xué)性能未發(fā)生明顯變化，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，纖維斷裂強(qiáng)度發(fā)生明顯的增強(qiáng)并在交聯(lián)20 min時(shí)達(dá)到最大，而20 min后，纖維的斷裂強(qiáng)度開始下降，并在30～50 min維持在一定范圍內(nèi)，同時(shí)纖維開始變得僵硬，這主要是因?yàn)榻宦?lián)反應(yīng)在20 min后接近終點(diǎn)，過(guò)多的戊二醛分子已不再生成交聯(lián)鍵，而是和膠原分子上的游離氨基發(fā)生單點(diǎn)結(jié)合或其他副反應(yīng)，同時(shí)沒有參加反應(yīng)的戊二醛會(huì)在纖維表面和內(nèi)部發(fā)生聚合，造成纖維變脆。

圖2 交聯(lián)時(shí)間對(duì)膠原纖維斷裂強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of crosslinking time on breaking strength of collagen fibers

2.3 表面形貌

從圖3可以看出：隨著交聯(lián)時(shí)間的變化，膠原纖維的表面形貌發(fā)生了變化，在交聯(lián)前10 min內(nèi)，纖維表面都相對(duì)比較平滑；當(dāng)交聯(lián)時(shí)間為20 min時(shí)，纖維表面光滑且呈現(xiàn)一定的原纖化結(jié)構(gòu)，這可能是因?yàn)槟z原分子從高長(zhǎng)徑比的噴絲孔噴出時(shí)受較大的剪切力發(fā)生一定的取向，以及交聯(lián)劑戊二醛分子使膠原蛋白發(fā)生了一定的分子內(nèi)和分子間交聯(lián)，從而穩(wěn)定了膠原三股螺旋結(jié)構(gòu)和其沿纖維軸的取向；而交聯(lián)20～50 min時(shí)，膠原纖維表面開始變得粗糙，這是因?yàn)檫^(guò)多的戊二醛分子在纖維表面(和內(nèi)部)發(fā)生了聚合反應(yīng)所致。

圖3 膠原纖維試樣表面SEM照片F(xiàn)ig.3 Surface SEM images of collagen fibers

2.4 吸水性能

未交聯(lián)改性的膠原纖維抗水性差，放入水中一段時(shí)間后，整體溶脹嚴(yán)重并且不能取出稱重。從圖4可知：經(jīng)交聯(lián)改性以后，膠原纖維的抗水性明顯提高，在水中能維持原有的形貌，并且未發(fā)生明顯的溶脹現(xiàn)象；隨著交聯(lián)時(shí)間的增加，S減小，并且在20 min后趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)槟z原中含有大量的游離羥基和氨基，隨著交聯(lián)時(shí)間增加，戊二醛的醛基與膠原中的氨基反應(yīng)[11-12]，使氨基數(shù)量減少，提高其疏水性，S降低；而20 min后S趨于穩(wěn)定，說(shuō)明交聯(lián)反應(yīng)已經(jīng)接近終點(diǎn)，進(jìn)一步交聯(lián)后S未有明顯的變化。

圖4 交聯(lián)時(shí)間對(duì)膠原纖維S的影響Fig.4 Effect of crosslinking time on S of collagen fibers

2.5 熱穩(wěn)定性能

從圖5可以看出，交聯(lián)改性與未交聯(lián)的膠原纖維的降解皆分為3個(gè)階段：第一階段的失重主要是膠原纖維中的吸附水和結(jié)合水的揮發(fā)造成的；第二和第三階段的失重主要是由于膠原長(zhǎng)鏈斷裂成短鏈以及短鏈進(jìn)一步分解成小分子而造成的。在此主要考慮第二和第三階段失重的起始分解溫度，分別標(biāo)記為T1，T2。從表1可看出，在交聯(lián)后T1至少提高了12.6 ℃，而T2至少提高了48.6 ℃，膠原的熱穩(wěn)定性得到了顯著提高。這主要是由于戊二醛與相同或者不同的分子的氨基反應(yīng)并且以五元環(huán)的方式連接起來(lái)[11-12]，使膠原的三股螺旋結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，從而提高了膠原的熱穩(wěn)定性。

圖5 膠原纖維試樣的TG曲線Fig.5 TG curves of collagen fibers

表1 膠原纖維試樣的T1和T2Tab.1 T1and T2of collagen fibers

3 結(jié)論

a.采用戊二醛交聯(lián)改性膠原纖維，能有效提高膠原纖維的斷裂強(qiáng)度，交聯(lián)20 min，斷裂強(qiáng)度達(dá)最大值0.88 cN/dtex，與未交聯(lián)膠原纖維相比提高了15.8%。

b.經(jīng)交聯(lián)改性后，膠原纖維抗水性明顯提高，S隨交聯(lián)時(shí)間的增加而減小，同時(shí)增強(qiáng)了膠原三股螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。

c.戊二醛對(duì)膠原纖維的交聯(lián)反應(yīng)存在單點(diǎn)和雙點(diǎn)結(jié)合，20 min后交聯(lián)反應(yīng)接近終點(diǎn)，戊二醛在膠原表面可能發(fā)生縮合反應(yīng)。

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Structure and properties of rat tail tendon type I collagen fiber crosslinked with glutaraldehyde

Zhang Jicai,Ding Changkun,Yang Ning,Jia Ti,Cheng Bowen

(TianjinMunicipalKeyLaboratoryofFiberModificationandFunctionalFiber,SchoolofMaterialScienceandEngineering,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387)

A collagen fiber prepared from self-made rat tail tendon type I collagen via wet spinning process was exposed to crosslinking modification in glutaraldehyde steam.The structure and properties of the unmodified and modified fibers were characterized.The results showed that the breaking strength of the collagen fiber was improved after glutaraldehyde crosslinking modification,15.8% higher than that of unmodified collagen fiber due to 20-minute crosslinking treatment; the water resistance of the crosslinked modified collagen fiber was markedly increased and the water absorption was greatly decreased and tended to be stable after 20-minute crosslinking treatment; and the stability of the helical structure and the thermal stability of the crosslinked modified collagen fiber were both enhanced due to the chemical reaction of glutaraldehyde on the surface of collagen fiber.

collagen fiber; glutaraldehyde; crosslinking modification; mechanical properties; thermal stability; water absorption

2015- 08-31； 修改稿收到日期：2016- 01-28。

張積財(cái)(1990—)，男，碩士研究生，主要從事膠原基纖維材料的研究與開發(fā)。E-mail：zhangjc9005@163.com。

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃(天津市自然科學(xué)基金)項(xiàng)目(13JCQNJC02700)。

TQ341+.5

A

1001- 0041(2016)02- 0026- 04

*通訊聯(lián)系人。E-mail：dingchangkun@tjpu.edu.cn。