膠原蛋白/殼聚糖共混材料的制備及性能研究

楊艷玲

(濰坊科技學(xué)院，山東 壽光 262700)

科技進(jìn)展

膠原蛋白/殼聚糖共混材料的制備及性能研究

楊艷玲

(濰坊科技學(xué)院，山東 壽光 262700)

將殼聚糖醋酸溶液與膠原蛋白溶液按一定比例共混制備出一系列膠原蛋白/殼聚糖共混材料，對共混材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，并研究了膠原蛋白/殼聚糖共混溶液的粘度，以及膠原蛋白/殼聚糖共混材料的吸水性能、和斷面微觀形貌。實驗結(jié)果表明，膠原蛋白和殼聚糖之間有較強(qiáng)的相互作用，隨著殼聚糖含量的增加，共混材料的粘度逐漸減小，吸水率逐漸增加，共混膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度比膠原蛋白和殼聚糖的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度都低，斷面脆性較大。

殼聚糖 膠原蛋白 物理共混

殼聚糖是自然界中唯一的堿性天然多糖高分子材料，其化學(xué)性質(zhì)較為活潑[1]。由于其良好的可生物再生性、生物降解性、生物相容性、生物功能性以及無毒性，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、食品及日化等領(lǐng)域，但是殼聚糖不具備生物活性，而且其可加工性較差。膠原蛋白具有多肽分子結(jié)構(gòu)，含有大量親水基團(tuán)，具有抗氧化活性、抑制血壓上升等作用。但膠原蛋白存在機(jī)械強(qiáng)度較低、親水性強(qiáng)等性能缺陷。將膠原和殼聚糖進(jìn)行復(fù)合，可以在性能上互相補(bǔ)充，賦予單一材料所不具有的許多特性，并在一定程度上有效改善二者的缺陷。目前以膠原和殼聚糖為原料的研究是醫(yī)用材料和生物材料領(lǐng)域的熱點。

葉易春，但衛(wèi)華等[2]研究發(fā)現(xiàn)，膠原與殼聚糖分子間的作用力使得其復(fù)合材料具有作為優(yōu)良生物材料的潛力。周玉惠等[3]將膠原蛋白與兩種去乙酰度(95%，85%)的殼聚糖分別配成不同質(zhì)量比的乙酸共混溶液，在28℃下測定了共混液的粘度，利用毛細(xì)管粘度法能簡單準(zhǔn)確地表征膠原蛋白與殼聚糖的相容性。付強(qiáng)等[4]用殼聚糖以不同比例與膠原共混以改善膠原膜性能。當(dāng)殼聚糖在共混膜中所占比例較少時，膜的熱穩(wěn)定性得到改善。Ye[5]等的研究證實，殼聚糖大分子鏈?zhǔn)抢w維剛性結(jié)構(gòu)，含有大量的氨基和羥基，使之具有很強(qiáng)的吸附作用，容易與含兩性基團(tuán)的膠原蛋白分子產(chǎn)生分子間的靜電吸引作用，形成聚電解質(zhì)配合物網(wǎng)絡(luò)。

將膠原蛋白與殼聚糖共混改性，既保持了天然材料的特有性能，又避免引入化學(xué)物質(zhì)，之后采用不同手段進(jìn)行后期干燥處理，使二者性能得到最佳復(fù)合，制備出性能優(yōu)良的共混材料。

1實驗部分

1.1 實驗試劑和儀器

膠原蛋白(M=600～2000)生物試劑山東青州隆貝生物科技有限公司殼聚糖生物試劑國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司氫氧化鈉分析純國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司乙酸分析純?nèi)R陽市康德化工有限公司IRPrestige-21型傅里葉變換紅外光譜儀日本島津公司TAQ-10型差示掃描量熱儀美國TA儀器101-2A型電熱鼓風(fēng)干燥箱天津市泰斯特儀器有限公司Quanta200型環(huán)境掃描電鏡(ESEM)荷蘭FEI公司DV-E粘度計美國Brookfield公司

1.2 膠原蛋白/殼聚糖共混材料的制備

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的殼聚糖(含1%乙酸溶液)溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的膠原蛋白溶液。將膠原蛋白與殼聚糖溶液按一定比例混合攪拌均勻，超聲脫氣20 min。將膠原蛋白/殼聚糖共混溶液置于聚四氟乙烯模具中，于25 ℃下干燥成膜。所有膠原蛋白/殼聚糖共混膜的編號及配比如表1所示。

表1 膠原蛋白/殼聚糖共混膜的編號及配比表Table 1 The number and proportion of collagen/chitosan blending membrane

1.3 表征與測試

粘度測定：采用美國Brookfield公司生產(chǎn)的的DV-E粘度計來測定膠原蛋白/殼聚糖共混溶液的粘度，選用2、3號轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速都設(shè)定為100 rpm，在室溫下測定共混溶液的粘度。

將裁好的樣品膜準(zhǔn)確稱重后放入燒杯中，加入到2%的氫氧化鈉溶液中，浸泡2h后取出。用濾紙迅速吸干表面水份，準(zhǔn)確稱量膜的質(zhì)量，計算吸水率。

采用傅里葉變換紅外光譜儀對樣品膜進(jìn)行紅外光譜分析，KBr壓片制樣。

使用TAQ-10差示掃描量熱儀測定樣品膜的DSC曲線，其升溫速率控制為10 ℃/min。

將樣品膜采用液氮冷卻處理后掰斷，斷面真空噴金后，用環(huán)境掃描電鏡觀察斷面微觀形貌。

2結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析

為了表征膠原蛋白和殼聚糖共混后結(jié)構(gòu)變化，分別測定了共混膜CC1、CC3和CC7的紅外光譜，如圖1所示。

從圖1可知，膠原蛋白的特征吸收峰分別為：酰胺Ⅰ帶(1 651.1cm-1)、酰胺Ⅱ帶(1 541.1 cm-1)和酰胺Ⅲ帶(1 242.2 cm-1)。殼聚糖在1 595.1cm-1處N-H彎曲振動吸收峰強(qiáng)度較大,無明顯的酰胺Ⅱ帶(1 550 cm-1) ,1 660.7cm-1處為酰胺Ⅰ帶的特征吸收峰,1 323.2 cm-1處為酰胺Ⅲ帶的特征吸收峰。

圖1 膠原蛋白/殼聚糖共混材料的紅外光譜 (CC1為殼聚糖、CC3為共混材料、CC7為膠原蛋白)Fig 1 IR spectra of collagen / chitosan blending material (CC1 is chitosan, CC3 is the blend material, CC7 is collagen)

膠原蛋白/殼聚糖共混膜CC3的紅外光譜中，膠原蛋白的酰胺Ⅰ帶沒有改變，殼聚糖伯氨基的N-H彎曲振動吸收峰由于氫鍵作用減弱移至1 558.4 cm-1處。由于氫鍵作用C-N伸縮振動加強(qiáng)，使膠原蛋白的酰胺Ⅱ帶和Ⅲ帶吸收峰移至1 546.9 cm-1和1 253.7 cm-1處。同時在1 381.0 cm-1、898.8 cm-1等處吸收峰有所減弱或消失，這些都表明共混后膠原蛋白與殼聚糖之間有較強(qiáng)的相互作用。其他比例的膠原蛋白/殼聚糖共混膜的紅外光譜圖與CC3的紅外光譜圖基本一致，就不再列出。

圖2 膠原蛋白/殼聚糖共混溶液的粘度與殼聚糖含量的關(guān)系圖Fig 2 Relation schema between the viscosity and the content of chitosan in collagen/chitosan blending solution

2.2 粘度分析

實驗中所合成的所有膠原蛋白/殼聚糖共混溶液都具有良好的儲存穩(wěn)定性，在室溫條件下，靜置6個月沒有沉淀析出。膠原蛋白/殼聚糖共混溶液的粘度與殼聚糖含量的關(guān)系如圖2所示。

由圖2可知，隨著殼聚糖含量的逐漸增多，膠原蛋白/殼聚糖共混溶液的粘度逐漸增加。這主要是由于隨著殼聚糖含量的逐漸增加，膠原蛋白含量逐漸減小，殼聚糖溶液本身的高粘度特征越來越明顯，所以共混溶液的粘度不斷增加。

2.3 親水性能分析

將干燥的樣品膜稱重(m1)加入到2%的氫氧化鈉溶液中浸泡2 h后，吸干表面水分記為m2，將樣品膜干燥至恒重記為m3，按下式(1)、(1)，計算樣品膜的失重率和吸水率。

(1)

(2)

測定膠原蛋白/殼聚糖共混膜在堿性溶液中的失重率和吸水率，如下表所示。

表2 膠原蛋白/殼聚糖共混膜的失重率和吸水率Table 2 Weightlessness rate and water absorption of collagen/chitosan blending membrane

由表2可知，共混膜的失重率隨著殼聚糖含量的減小而逐漸增加，共混膜的吸水率隨殼聚糖含量的減小而逐漸增大。這種現(xiàn)象是由于殼聚糖在堿性溶液中穩(wěn)定存在，而膠原蛋白不論在酸性或堿性溶液中都極易吸水溶解的原因。

2.4 熱性能分析

為了研究共混后熱性能的改變，測定了樣品殼聚糖(CC1)、膠原蛋白/殼聚糖共混膜(CC3)和膠原蛋白(CC7)的DSC曲線如圖3所示。

圖3 CC1(a)、CC7(b)和CC3(c)的DSC曲線Fig 3 DSC curves of CC1 (a), CC7 (b) and CC3 (c)

由圖3可知，殼聚糖CC1的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為140.8 ℃，與相關(guān)報道一致，膠原蛋白CC7的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為168.5 ℃，共混膜CC3的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為126.5℃。共混膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度比膠原蛋白和殼聚糖都低，且只有一個玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，說明膠原蛋白/殼聚糖共混膜具有較好的相容性和較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

2.5 ESEM分析

用環(huán)境掃描電鏡對殼聚糖膜(CC1)和膠原蛋白/殼聚糖共混膜(CC3)的斷面微觀形貌進(jìn)行觀察，如圖4所示。

圖4 殼聚糖膜和膠原蛋白/ 殼聚糖共混膜的斷面ESEM圖片 (CC1 a 800倍、b 1 600倍) (CC3 c 800倍、d 1 600倍)Fig 4 The ESEM pictures of tchitosan membrane and collagen / chitosan blending membrane section (CC1 a 800 times, b 1 600 times) (CC3 C 800 times, D1 600 times)

從圖a、b中可以看出，殼聚糖膜的斷面比較光滑，但斷面有斷紋。從圖c、d中可以看出，膠原蛋白/殼聚糖共混膜的斷面整齊光滑?？梢娔z原蛋白/殼聚糖共混膜的脆性大于殼聚糖膜。這是由于殼聚糖具有較好的成膜性，但膠原蛋白分子量很小，不具有成膜性，與殼聚糖共混后成膜能力有所增加，但脆性仍然很大。直接觀察共混溶液成膜后形態(tài)發(fā)現(xiàn)，隨著殼聚糖含量的減少，共混膜的脆性逐漸增加，與上述分析結(jié)果一致。

3結(jié) 論

(1)紅外光譜分析表明：采用物理共混法制備的膠原蛋白/殼聚糖共混材料中膠原蛋白和殼聚糖之間有較強(qiáng)的相互作用。

(2)隨著殼聚糖含量的逐漸減小，膠原蛋白/殼聚糖共混溶液的粘度逐漸減小，而膠原蛋白/殼聚糖共混膜的失重率和吸水率都逐漸增加。

(3)利用差示掃描量熱儀研究膠原蛋白/殼聚糖共混膜的DSC曲線變化。結(jié)果表明：共混膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為126.5 ℃比膠原蛋白和殼聚糖的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度都低。

(4)利用環(huán)境掃描電鏡表征共混膜的微觀形貌。結(jié)果表明膠原蛋白/殼聚糖共混膜斷面比殼聚糖的斷面更加整齊光滑，脆性更大。

[1] 董英，徐自明，徐斌．殼聚糖制備技術(shù)的研究進(jìn)展[J]．食品研究與開發(fā)，2005，26(5)：23～26.

[2] 葉易春,衛(wèi)華,曾睿,等.膠原與殼聚糖分子間的作用力[J].高分子材料科學(xué)與工程. 2007,23(5).

[3] 周玉惠,孫艷斌,劉海,等.膠原蛋白與殼聚糖相容性研究[J].膠體與聚合物.2008，26(1).

[4] 付強(qiáng),李國英.殼聚糖-膠原共混改善膠原膜性能的研究[J].中國皮革.2007,36(5).

[5] Ye Y C, Dan W H,Zeng R,et al. Miscibility studies on the blends of collagen/chitosan by dilute solution viscometry[J].European Polymer Journal, [6] Dong Y, Ruan Y, Wang H, et al. Studies on glass transition temperature of chitosan with four techniques[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2004,93(4):1 553～1 558.

PreparationandPropertiesStudyofCollagenChitosanBlendMaterials

Yang Yanling

(Weifang University of Science and Technology, Shandong Shouguang 262700)

The acetic acid solution of chitosan and collagen solution were mixed in some ratio to prepare a series of collagen/chitosan blending. The structures of blending materials were characterized. The viscosity of collagen/chitosan blend solution, and collagen/chitosan blend materials, water absorption, thermal properties and cross-section morphology were determined. The experimental results showed that there was a strong interaction between collagen and chitosan, with the increase of the content of chitosan ,blending materials viscosity decreased gradually, water absorption rate increased gradually. The glass transition temperature of blending membrane was lower than the glass transition temperature of collagen and chitosan, the brittleness of section was larger.

chitosan collagen physical blending

10.16597/j.cnki.issn.1002-154x.2017.05.001

2017-03-28

楊艷玲(1981～)，女，碩士，講師，主要研究方向：復(fù)合材料