膠原纖維的物理交聯(lián)改性及性能研究

雷枋喜

（上饒幼兒師范高等?？茖W(xué)校，江西 上饒 334000）

天然膠原蛋白在分子間通過疏水力、氫鍵、靜電力的作用自組裝形成纖維狀聚集體，具有良好的力學(xué)性能，能在動物體內(nèi)或者器官中存在，并且保護(hù)動物的器官和組織。提取小鼠尾巴的肌肉蛋白，得到了具有良好抗原性、相容性和生物降解功能的實(shí)驗(yàn)原材料。相比于其優(yōu)秀的性能，再造纖維呈現(xiàn)出力學(xué)性能不足、缺少熱穩(wěn)定性并且無法在實(shí)際中廣泛應(yīng)用的缺點(diǎn)。由基本的生物知識可知，膠原纖維最大的特點(diǎn)就是具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和熱學(xué)性能，但是如果想要升華這一特點(diǎn)，就要通過一定的物理處理對膠原纖維進(jìn)行改性。目前，實(shí)驗(yàn)室常見的處理方法是物理交聯(lián)，不使用一般的生物試劑，大多通過嚴(yán)重脫水（Dehydratherma，DHT）和紫外線（Ultraviolet，UV）輻射完成。DHT交聯(lián)通過形成酯和酰胺基團(tuán)提高膠原蛋白的性能。UV照射后，鄰近的膠原分子中產(chǎn)生離子，膠原分子之間形成交聯(lián)。因此，UV交聯(lián)是比脫水交聯(lián)更快、更有效的交聯(lián)方法。然而，這兩種方法會導(dǎo)致膠原α鏈的一小部分裂解和變性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

選取小鼠尾巴肌腱的優(yōu)質(zhì)膠原蛋白，使用酶解法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器

采用實(shí)驗(yàn)室自制的干濕紡絲設(shè)備。

1.3 膠原初生纖維的制備與交聯(lián)

1.3.1 制備膠原初生纖維

將小鼠尾巴肌腱膠原蛋白放入醋酸中，使用機(jī)械攪拌器充分?jǐn)嚢枞芤?，整個過程控制在6 h之內(nèi)，并且變性溫度不宜超過4 ℃，目的是降低膠原纖維變性的可能性。然后，在4 ℃條件下進(jìn)行冷凍脫泡，得到纖維原液。使用范式分裂方法處理已經(jīng)制備好的纖維原液，將纖維置于注射泵中浸泡2 h后與凝固液分離，并置于5 G砝碼下懸掛，得到自然風(fēng)干的膠原初生纖維，標(biāo)記為試樣1。

1.3.2 DHT交聯(lián)

使用真空干燥箱干燥初生纖維，交聯(lián)時間為12 h，設(shè)置不同的溫度，得到理想的DHT纖維，然后對不同溫度下獲得的脫水纖維進(jìn)行力學(xué)性能與熱學(xué)穩(wěn)定性測試，找到最佳交聯(lián)溫度。確定時間和溫度后，對膠原纖維施加不同大小的作用力，得到的纖維標(biāo)記為試樣2。

1.3.3 UV交聯(lián)

用UV照射初生纖維，設(shè)置不同的時間梯度，對初生纖維進(jìn)行熱學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性能測試，找到最佳的UV交聯(lián)時間。在最佳交聯(lián)時間條件下，向初生纖維施加不同大小的作用力，得到的膠原纖維標(biāo)記為試樣3。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 優(yōu)化脫水交聯(lián)工藝

交聯(lián)工藝可以使相鄰氨基酸側(cè)鏈的羧基和氨基之間發(fā)生縮合反應(yīng)，達(dá)到真正的脫水效果。酯鍵和酰胺鍵在膠原蛋白中發(fā)生分子間交聯(lián)，可明顯改善膠原纖維的機(jī)械性能。在真空條件下，使膠原纖維脫水的過程包括膠原的變性反應(yīng)，而交聯(lián)反應(yīng)是膠原蛋白的主要反應(yīng)，變性反應(yīng)是輔助反應(yīng)，因?yàn)楹线m的交聯(lián)溫度能得到合適的脫水率。

根據(jù)力學(xué)性能的測試結(jié)果，膠原纖維可以達(dá)到的斷裂強(qiáng)度隨著交聯(lián)溫度的升高先升后降，在120 ℃下，交聯(lián)脫水工藝可以使纖維的斷裂強(qiáng)度高達(dá)1.56 cN/dtex。隨著溫度逐漸升高到130 ℃，纖維的斷裂強(qiáng)度急劇降低，低于試樣1，這說明110 ℃是最佳脫水交聯(lián)溫度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，膠原纖維的脫水交聯(lián)過程不是靜止的，而是一個動態(tài)過程。在120 ℃的處理溫度下，對纖維的處理時間從16 h延長到24 h和48 h。當(dāng)交聯(lián)時間為24 h時，膠原纖維的斷裂強(qiáng)度接近1.78 cN/dtex，拉伸伸長率為22.0%。斷裂強(qiáng)度和拉伸伸長率分別提高了4.0%和6.0%[1]。然而，當(dāng)交聯(lián)時間為36～48 h時，斷裂強(qiáng)度開始變化，并且出現(xiàn)下降趨勢。這是因?yàn)殡S著交聯(lián)時間的延長，纖維被過度加熱導(dǎo)致變性。一般而言，纖維的熱拉伸往往使膠原纖維的內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)得到合理的改變，所以，膠原纖維被過度加熱時會脫水，進(jìn)行分子內(nèi)結(jié)合，形成新的化學(xué)鍵，導(dǎo)致膠原纖維分子不斷重新排列組合。因此，在脫水交聯(lián)過程中，對纖維施加縱向拉伸作用力能使交聯(lián)的纖維達(dá)到更高層次的分子有序性。

2.2 優(yōu)化UV照射交聯(lián)工藝

UV照射可以使膠原分子重新組合，因?yàn)樽贤饩€會作用于膠原蛋白質(zhì)內(nèi)的氨基酸，在氨基酸的殘基間形成兩兩成對的電子。在UV照射下，互相靠近的膠原纖維分子之間形成錯綜復(fù)雜的組合關(guān)系，提高了膠原纖維的力學(xué)性能。其中的反應(yīng)機(jī)理應(yīng)該是膠原纖維本身的帶電殘基與其他具有極性的膠原分子之間進(jìn)行兩兩反應(yīng)，利用膠原分子間的來回運(yùn)動提高膠原纖維的機(jī)械性能。

隨著UV照射時間的延長，膠原纖維本身的機(jī)械性能也開始慢慢變化，并且出現(xiàn)上升的趨勢。在UV下照射8 h時，膠原纖維的機(jī)械性能達(dá)到最高值，為3.72 cN/dtex，遠(yuǎn)高于試樣1。在UV下照射10 h，膠原纖維的斷裂強(qiáng)度和拉伸伸長率都開始逐漸降低。這是因?yàn)槟z原纖維在長時間的UV照射下發(fā)生了一定程度的變性。由實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可知，用UV照射纖維前，要施加0.35 cN/dtex的拉伸作用力，在此條件下，膠原纖維的拉伸伸長率高于無應(yīng)力纖維[2]。但是，斷裂強(qiáng)度沒有出現(xiàn)明顯的變化。當(dāng)拉伸作用力為0.25 cN/dtex時，膠原纖維的斷裂強(qiáng)度和拉伸伸長率都明顯降低?？梢?，上述UV照射交聯(lián)處理方法不充分，因?yàn)槔w維不能均勻地暴露在UV下。這表明，在UV交聯(lián)過程中施加一定的拉伸作用力對膠原纖維的力學(xué)性能與熱學(xué)穩(wěn)定性的影響不大[3]。在以后的工藝優(yōu)化過程中，要研究不同拉伸作用力的影響，可將拉伸應(yīng)力設(shè)為0.15 cN/dtex，交聯(lián)時間設(shè)為8 h，UV照射交聯(lián)的膠原纖維標(biāo)記為試樣3。

3 結(jié)語

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，DHT交聯(lián)后，膠原纖維內(nèi)部的微纖維結(jié)構(gòu)更加緊密，UV交聯(lián)主要存在于纖維表面。經(jīng)過DHT或UV交聯(lián)后，纖維的各項(xiàng)穩(wěn)定性都大大提高。在合適的拉伸應(yīng)力下，DHT或UV交聯(lián)纖維的熱變性溫度高于新膠原纖維。因此，使用物理方法進(jìn)行交聯(lián)可以顯著提高膠原纖維的拉伸斷裂強(qiáng)度。對于DHT交聯(lián)，在120 ℃下交聯(lián)24 h時，應(yīng)該對纖維施加0.15 cN/dtex的拉伸作用力，所得纖維的斷裂強(qiáng)度能達(dá)到2.37 cN/dtex。此外，拉伸作用力本身對UV照射下的交聯(lián)纖維機(jī)械性能影響不大。所以，使用物理處理方法時，合適的拉伸作用力和脫水處理能顯著提高纖維的力學(xué)性能和熱學(xué)穩(wěn)定性。