熒光超支化聚合物（HMEAP）對(duì)皮膠原蛋白的改性研究

劉素清，韓昕 ，喬一凡，周裕仙，李靜怡，孫淼

（1.山東省皮革工業(yè)研究所，山東 濟(jì)南 250021；2.煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005）

1 引言

目前，皮革工業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)輕工業(yè)的第二大產(chǎn)業(yè)，在帶來(lái)大量外匯收入的同時(shí)也造成了一定的環(huán)境問(wèn)題。一方面，在制革鞣制加工過(guò)程中，減少鉻鞣劑的使用或開(kāi)發(fā)無(wú)鉻鞣劑成為現(xiàn)代皮革工業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題。另一方面，制革行業(yè)擁有以膠原蛋白為主的豐富蛋白質(zhì)資源，開(kāi)發(fā)其在新領(lǐng)域的應(yīng)用也有利于制革行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

近年來(lái)，超支化聚合物由于其特有的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，得到了極大的關(guān)注[1-5]。而具有生物相容性且同時(shí)含有非傳統(tǒng)生色團(tuán)的熒光超支化聚合物也已成為了研究熱點(diǎn)之一，在生物、醫(yī)藥及組織工程和生物成像等領(lǐng)域都有了較好的應(yīng)用[6-9]。超支化聚合物具有大量的端基官能團(tuán)，結(jié)構(gòu)高度支化且呈三維球狀，具有低粘度溶解性好分子間無(wú)纏結(jié)等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)皮革鞣劑相比其豐富的官能團(tuán)能夠與皮革膠原纖維分子上的端基活性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)鍵結(jié)合，大幅度提高了與膠原蛋白結(jié)合的反應(yīng)能力，達(dá)到對(duì)膠原纖維改性的目的[7]。

針對(duì)非傳統(tǒng)生色團(tuán)的熒光聚合物的研究多以聚酰胺的樹(shù)枝狀或超支化聚合物展開(kāi)[10，11]。其反應(yīng)機(jī)理是以1-（2-氨基乙基）哌嗪和二丙烯酸酯進(jìn)行邁克爾加成反應(yīng)，合成過(guò)程中通過(guò)改變反應(yīng)條件和投料比，調(diào)控超支化聚合物末端的伯仲叔胺基團(tuán)的含量及比例[12，13]。根據(jù)對(duì)樹(shù)狀聚合物聚酰胺功能團(tuán)的淬滅實(shí)驗(yàn)[12]發(fā)現(xiàn)，叔胺是胺基聚合物中的生色團(tuán)，國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表明針對(duì)只含有叔胺生色團(tuán)的超支化聚合物材料的研究還較少。制備含有叔胺生色團(tuán)的超支化聚合物與膠原蛋白結(jié)合，可以在提高膠原蛋白穩(wěn)定性的同時(shí)，開(kāi)發(fā)新型材料，拓展其應(yīng)用范圍。

本論文以AB2型叔胺N-二羥乙基-3-胺甲基丙酸酯為多官能團(tuán)單體原料，以四丁基鈦酸酯為催化劑，通過(guò)縮聚反應(yīng)合成出系列分子量的水溶性叔胺型超支化聚合物。超支化聚合物高分子進(jìn)入經(jīng)過(guò)預(yù)處理的皮子內(nèi)，與皮膠原蛋白反應(yīng)，其大量的活性基團(tuán)與皮膠原蛋白的側(cè)鏈上的活性基團(tuán)相結(jié)合，或者積聚在皮革膠原纖維之間、覆蓋在皮革纖維的表面，通過(guò)交聯(lián)、纏結(jié)或吸附作用形成網(wǎng)格，從而對(duì)皮革起到鞣制的作用[14-16]，提高皮膠原的綜合性能。由于叔胺基超支化聚合物與膠原蛋白親和力強(qiáng)，毒性小，改性后膠原蛋白在新材料、生物醫(yī)藥方面將具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

四丁基鈦酸酯Ti(OBu)4（分析純）、丙烯酸甲酯（分析純）、二乙醇胺（分析純）、甲醇（分析純）和山羊酸皮（自制）。

2.2 儀器和表征

1H NMR采用300 MHz核磁共振儀（Bruker DRX-300），用CDCl3或D2O作為溶劑、四甲基硅作內(nèi)標(biāo)在室溫下進(jìn)行測(cè)試；熒光激發(fā)光譜（Perkin-Elmer LS55）測(cè)量在室溫條件下完成，測(cè)試條件：1 mg/mL水溶液，λex=375 nm；以二甲基亞砜為溶劑，線型苯乙烯為標(biāo)準(zhǔn)試樣，采用凝膠滲透色譜（GPC）（Waters）測(cè)定HMEAPs的分子量及分子量分布。皮革收縮溫度采用MSW-YD4型數(shù)字式皮革收縮溫度測(cè)定儀（陜西科技大學(xué)陽(yáng)光電子研究所）測(cè)定。皮革增厚率采用威海市量具廠有限公司皮革測(cè)厚儀測(cè)定。

2.3 超支化聚合物縮聚單體N，N-二羥乙基-3-胺丙酸甲酯（MBAP）及叔胺超支化聚合物（HMEAP）的合成[17]

圖2 水溶性超支化聚合物HMEAP的合成

在50 mL兩頸圓底燒瓶中加入0.1 mol二乙醇胺和0.102 mol丙烯酸甲酯，并與10 mL甲醇相溶，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，于室溫?cái)嚢?0分鐘后，升溫至35℃，繼續(xù)反應(yīng)4小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫，真空抽出低沸點(diǎn)雜質(zhì)，得到無(wú)色油狀單體產(chǎn)物MBAP（合成路線見(jiàn)圖1），產(chǎn)率約為98.5%。核磁結(jié)果表明1H NMR(CDCl3):3.67(2H，CH2O H)，3.55(3H，C H 3)，3.45（4H，—C H 2OH）；2.73（2H，—N—C H 2—CH2—COO—)，2.50（4H，—N—C H 2—CH2OH）；2.37（2H，—CH2—COO—）。

圖1 超支化聚合物縮聚單體MBAP的合成

在25 mL三口燒瓶中加入0.5 mmol四丁基鈦酸酯和25 mmol MBAP，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，130℃攪拌反應(yīng)3小時(shí)，然后在真空（250毫米汞柱）條件下繼續(xù)反應(yīng)30分鐘。冷卻到室溫，再加入0.25 mmol Ti(OBu)4升溫至130℃后在高真空（10毫米汞柱）下攪拌，通過(guò)改變反應(yīng)時(shí)間1、3、5和10小時(shí)，得到系列不同分子量的叔胺超支化聚合物HMBAP1、HMBAP3、HMBAP5、HMBAP10。將產(chǎn)物溶于10 mL甲醇中，過(guò)濾后在乙醚中沉淀，真空抽濾除去低沸點(diǎn)雜質(zhì)。

2.4 HMBAP對(duì)膠原蛋白的改性

將酸皮稱(chēng)重，液比200%，配置一定pH的緩沖溶液，浸泡30 min，加入一定質(zhì)量的超支化聚合物HMBAPs，在一定溫度下鞣制一定時(shí)間，然后取出皮子測(cè)其厚度及收縮溫度。分別考察HMBAPs分子量、體系pH、超支化聚合物用量、鞣制時(shí)間、鞣制溫度對(duì)其改性膠原蛋白的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 叔氨基超支化聚合物HMBAPs的表征

將系列分子量HMBAPs GPC結(jié)果列于表1，其重均分子量分布從9600～20070，由叔胺超支化聚合物HMBAPs的熒光光譜圖中（圖3）可以看出，其熒光的相對(duì)強(qiáng)度隨分子量的增加而增加[18]。這是因?yàn)闊晒鈴?qiáng)度與熒光基團(tuán)的碰撞松弛速率和淬滅有很大關(guān)系[19]，一般情況下分子量越小，超支化聚合物分子鏈活動(dòng)性越好[20]，碰撞松弛速率越大，導(dǎo)致分子熒光性能減弱。

表1 系列分子量HMBAPs GPC結(jié)果

圖3 系列分子量HMBAPs的熒光光譜

3.2 不同分子量超支化聚合物HMBAPs對(duì)鞣制效果的影響

在與皮膠原作用的過(guò)程中，高分子材料的分子量對(duì)鞣制效果影響較大，圖4是系列分子量HMBAPs鞣制后皮革的增厚率及收縮溫度的變化結(jié)果。從圖中可以看出隨著分子量增加，增厚率和收縮溫度均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。這是因?yàn)槌Щ酆衔锏姆肿恿吭酱?，分子中的活性基團(tuán)越多，能夠與膠原蛋白反應(yīng)的活性位點(diǎn)數(shù)量增加，導(dǎo)致鞣制后收縮溫度增加。增厚率反映了高分子進(jìn)入膠原蛋白后對(duì)皮膠原纖維的填充程度，大分子能夠更好地填充膠原纖維間隙，能夠有較好的填充效果。但是隨著分子量進(jìn)一步增加，HMBAP10的鞣后增厚率和收縮溫度增加值略有降低，這可能是因?yàn)榉肿恿窟^(guò)大導(dǎo)致其滲透性能降低，影響了其與膠原蛋白的結(jié)合，因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇HMBAP5，并進(jìn)一步優(yōu)化其與膠原作用的條件。

圖4 不同分子量HMBAPs對(duì)鞣制效果的影響（鞣制pH為5、聚合物用量4%、改性時(shí)間4 h、反應(yīng)溫度25℃）

3.3 不同pH對(duì)膠原蛋白改性效果的影響

圖5是pH對(duì)HMBAP5鞣制后收縮溫度及增厚率的影響結(jié)果，由圖可以看出，一開(kāi)始收縮溫度、增厚率隨著pH的升高而升高，在pH為5～6時(shí)收縮溫度增加量及增厚率達(dá)到最大值，繼而減小。這是由于超支化聚合物在溶液中的尺寸受溶液的pH影響，有研究表明，溶液的pH發(fā)生改變后，超支化聚合物的樹(shù)形分子在溶液中的尺寸可以增加或減少50%；在弱酸性條件下利于HMBAP5向皮內(nèi)滲透，但pH過(guò)低會(huì)影響皮膠原纖維的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也不利于膠原的改性；但若pH過(guò)高，鞣液中配合物分子太大不利于滲透結(jié)合[21]。因此，綜合考慮選擇最佳pH為5～6。

圖5 pH對(duì)HMBAP5鞣制后皮革收縮溫度及增厚率的影響（聚合物用量4%、改性時(shí)間4 h、反應(yīng)溫度25℃）

3.4 聚合物用量對(duì)膠原蛋白改性效果的影響

圖6是不同聚合物用量對(duì)改性后膠原蛋白收縮溫度及增厚率的影響結(jié)果，由圖可以看出，在HMBAP5用量為6%時(shí)，增厚率和收縮溫度增加量均達(dá)到最大值，且隨著其用量的進(jìn)一步增大沒(méi)有明顯升高。當(dāng)超支化聚合物用量太少時(shí)，鞣制的效果不太明顯，當(dāng)用量超過(guò)6%時(shí)反而增加了成本。因此，綜合考慮收縮溫度、增厚率和經(jīng)濟(jì)效益，選擇最佳聚合物用量為6%。

圖6 HMBAP5用量對(duì)鞣制后皮革收縮溫度及增厚率的影響（鞣制pH為5、改性時(shí)間4 h、反應(yīng)溫度25℃）

3.5 改性時(shí)間對(duì)膠原蛋白改性效果的影響

圖7是鞣制時(shí)間對(duì)膠原蛋白收縮溫度及增厚率的影響結(jié)果，從圖中可以看出，鞣制開(kāi)始時(shí)收縮溫和增厚率隨著反應(yīng)時(shí)間的增大而增加，但反應(yīng)時(shí)間達(dá)到4 h之后增厚率和收縮溫度沒(méi)有明顯升高。這是因?yàn)殡S著時(shí)間的增加，超支化聚合物的分子不斷滲入生皮內(nèi)，其端基與皮膠原側(cè)鏈上的活性基團(tuán)結(jié)合增多，對(duì)膠原的改性效果越來(lái)越明顯，從而使收縮溫度和增厚率逐漸增加；當(dāng)反應(yīng)到達(dá)4 h后，其與膠原的結(jié)合基本完成，再延長(zhǎng)時(shí)間已沒(méi)有意義，由此選擇最佳反應(yīng)時(shí)間為4 h。

圖7 鞣制時(shí)間對(duì)HMBAP5鞣制后皮革收縮溫度及增厚率的影響（鞣制pH為5、聚合物用量6%、反應(yīng)溫度25℃）

3.6 反應(yīng)溫度對(duì)膠原蛋白改性效果的影響

圖8是不同反應(yīng)溫度對(duì)改性后膠原蛋白收縮溫度及增厚率的影響結(jié)果，由圖可以看出，一開(kāi)始收縮溫度隨著反應(yīng)溫度的增大而升高，但35℃之后隨著反應(yīng)溫度的增大收縮溫度升高不明顯；增厚率隨著反應(yīng)溫度的增長(zhǎng)而增加，但之后沒(méi)有明顯增加。當(dāng)溫度升高時(shí)，聚合物向皮內(nèi)滲透的速率增大，與皮膠原結(jié)合的速度及結(jié)合量都會(huì)增加，然而當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)會(huì)對(duì)皮革粒面造成影響，使粒面粗糙。綜合考慮，選擇最佳反應(yīng)溫度為25～35℃。

圖8 鞣制溫度對(duì)HMBAP5鞣制后皮革收縮溫度及增厚率的影響（鞣制pH為5、聚合物用量6%、反應(yīng)時(shí)間4 h）

4 結(jié)論

通過(guò)縮聚法制備了不同分子量的熒光超支化聚合物（HMEAPs），并探索了其對(duì)皮膠原蛋白的改性條件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)HMEAP重均分子量約為17000，其鞣制效果最佳，與膠原蛋白作用條件為pH為5～6，聚合物用量約為6%，最佳反應(yīng)溫度為25～35℃，反應(yīng)時(shí)間為4h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，HMEAP鞣制后皮革收縮溫度可提高22.1℃，增厚率可達(dá)到35.6%。由于HMEAP具有低毒性及優(yōu)良的生物相容性，改性后膠原蛋白在生物醫(yī)藥方面具有廣闊的應(yīng)用前景。