一種微波輻照提高交聯膠原材料熱穩定性的方法
【專利摘要】本發明涉及一種微波輻照提高交聯膠原材料熱穩定性的方法，其先按常規方法完成交聯劑和固體膠原材料的交聯反應，然后再采用功率為140～600W的微波，分2～4次對交聯劑和固體膠原材料的反應體系進行輻照，將體系的溫度升高至30～60℃，每次升溫至規定值后至少在該溫度下利用微波場保溫10min，微波輻照交聯后的膠原材料根據所需用途按照常規方法進行后續加工即可。本發明不僅利用了微波加熱速度快而均勻的特點，還利用了微波非熱效應促進化學反應的特點，增強了膠原材料的交聯反應效果，提高了交聯膠原材料的熱穩定性。
【專利說明】
一種微波輻照提高交聯膠原材料熱穩定性的方法
技術領域
[0001] 本發明涉及微波化學和膠原材料處理技術領域，特別涉及一種微波輻照提高交聯 膠原材料熱穩定性的方法。
【背景技術】
[0002] 膠原蛋白是脊椎動物體內含量最多、分布最廣泛的蛋白質，其幾乎存在于動物的 皮、骨、軟骨、肌腱和韌帶等各個組織中。膠原蛋白占生物體內蛋白總量的25~30%，其中皮 膚和骨骼中膠原蛋白占總量的90%左右，因此膠原蛋白是細胞外基質的主要結構蛋白。
[0003] 天然膠原蛋白干燥后不僅質地堅硬且脆，還存在延展性低、易干裂、抗水性差、遇 水易溶脹和易被化學物質和微生物降解的缺點。對膠原材料進行交聯處理，可以提高膠原 材料的物理機械性能以及耐化學作用和耐微生物作用能力，并降低其在水中的膨脹性。評 價膠原材料交聯效果最直觀、最簡單和最有效的辦法就是其熱穩定性的提高。
[0004] -般來說，哺乳動物的皮膠原當溫度高于65°C時即發生變性，而水生動物如魚皮 膠原當溫度高于40°C時即發生變性(李國英，劉文濤.膠原化學[M].北京：中國輕工業出版 社，2013)。通過交聯劑的交聯，特別是在膠原肽鏈間形成的多點交聯可以提高膠原分子的 構象穩定性，使其在加熱過程中不易變化。因此，經過交聯后的膠原材料變性溫度明顯上 升，具有更好的熱穩定性，如采用鉻進行交聯的膠原材料可在沸水下，甚至在120°C下也不 發生變性(陳武勇，李國英.鞣制化學(第三版）.北京：中國輕工業出版社，2011)。
[0005] 雖然交聯劑可以提高膠原材料的熱穩定性，但是這種提高并不是無限度的，這一 方面是由于化學反應動力學和熱力學的存在，使得交聯反應進行到一定程度時達到平衡， 如果要改變這種平衡，往往需要極端苛刻的條件。另一方面，如果刻意追求交聯膠原材料具 有較高的熱穩定性，往往需要大大增加交聯劑用量，延長交聯反應的時間，以及改變交聯條 件等，但是在此過程中往往伴隨著成本的大幅上升，生產周期的大大延長，以及交聯膠原材 料使用性能的降低。由于上述原因，膠原材料在按照常規交聯方法完成交聯后，其熱變性溫 度即熱穩定性是一定的，如果需要進一步提高交聯膠原材料的熱穩定性，則需要付出極大 的代價。
[0006] 微波是一種電磁波，其作用于一些物質時會產生熱效應而使被作用物升溫，因此 微波可以作為一種熱源。但是微波還有除了熱效應以外的其他效應，如在微波長中的化學 反應速度會大幅加快，甚至一些只有在極端條件下才能發生的化學反應，在微波輔助下也 可以在溫和的條件下發生，因此微波還具有非熱效應(金欽漢，戴樹珊，黃卡瑪.微波化學 [M].北京:科學出版社，1999.)。將微波輻照用于膠原材料的化學交聯過程，熱效應會促使 反應體系溫度上升，增加反應物分子的運動速度，增加有效碰撞的頻率，從而加速化學反應 的進行。極性的反應物分子在高頻變換的微波電磁場中會出現瞬時偶極，分子被極化，在此 條件下完成的膠原材料的交聯，勢必與常規加熱條件下生成的產物存在差別，即微波的非 熱效應。然而目前還沒有關于微波輔助對交聯后膠原材料影響的報道，更談不上利用微波 輻照提高膠原材料的性能。
【發明內容】
[0007] 本發明是針對在溫和條件下提高交聯膠原材料熱穩定性技術的缺失，提供一種微 波輔助提高交聯膠原材料熱穩定性的方法。
[0008] 為了達到本發明的目的，發明人在已有的微波輔助化學反應，以及膠原材料交聯 過程和方法所公開資料的基礎上，深入地研究了微波輻照過程中交聯劑組成和結構、膠原 蛋白組成和結構以及它們相互反應的過程，揭示了微波輻照對膠原材料交聯過程影響的規 律。在此基礎上獲得了微波輻照提高交聯膠原材料熱穩定性的關鍵技術和方法。
[0009] 本微波輻照提高交聯膠原材料熱穩定性的方法先按常規方法完成交聯劑和固體 膠原材料的交聯反應，然后再采用功率為140~600W的微波，分2~4次對交聯劑和固體膠原 材料的反應體系進行輻照，將體系的溫度升高至30~60°C，每次升溫至規定值后至少在該 溫度下利用微波場保溫l〇min，微波輻照交聯后的膠原材料根據所需用途按照常規方法進 行后續加工即可。
[0010] 作為優化，所述交聯劑為金屬鹽交聯劑和多酚類交聯劑中的任意一種。
[0011] 作為優化，所述金屬鹽交聯劑為硫酸鉻、堿式硫酸鉻、硫酸鋁、硫酸鈦和硫酸鋯中 的任意一種。
[0012] 作為優化，所述多酚類交聯劑為橡椀單寧、楊梅單寧、荊樹皮單寧和落葉松單寧中 的任意一種。
[0013] 作為優化，所述固體膠原材料為粉狀膠原材料或塊狀膠原材料中的任意一種。
[0014] 作為優化，所述微波場保溫時間為20~60min。
[0015] 本發明提供的方法在兩大類交聯過程中均可以應用，具有較大的適用性。采用功 率為140~600W的微波進行升溫，微波功率小于140W時，微波反應器不能提供穩定的微波功 率輸出，微波功率高于600W時，由于加熱過快而導致反應體系溫度超過設定溫度的現象，對 膠原材料造成不可逆的損傷。在升溫過程中分2~4次，而不是一次性升溫到最后值，可以防 止一次性快速升溫而引起的過熱現象。
[0016] 利用微波場對反應體系進行保溫，當時間低于lOmin，微波場非熱效應不能充分作 用于交聯反應，超過120min后，微波的非熱效應對交聯反應的促進作用趨于平穩，即使再延 長反應時間，也不能進一步讓微波顯示出非熱效應。為了充分顯示微波輻照對交聯反應的 非熱效應，同時也盡量縮短反應時間，微波場保溫時間優選為20~60min。
[0017] 本發明設計原理及根據為，膠原材料經過化學交聯后，由于交聯劑與膠原蛋白的 氨基酸發生反應，提高了膠原蛋白的構象穩定性，表現為膠原材料的耐熱穩定性增強。發明 人在已有的微波輔助化學反應的報道、以及化學交聯膠原材料所公開的方法基礎上，深入 研究了微波輻照過程中交聯劑組成和結構、膠原蛋白組成和結構以及兩者的相互反應過 程，并將上述過程與常規水浴加熱方式進行了對比，揭示了微波輻照對膠原材料交聯過程 影響的規律。在此基礎上獲得了微波輻照提高交聯膠原材料熱穩定性的關鍵技術和方法。
[0018] 膠原蛋白由氨基酸組成，是極性物質。而無論是以金屬鹽為代表的無機交聯劑還 是以植物單寧為代表的有機交聯劑，也都是極性物質。極性分子由于內部陰陽電荷中心不 重合，具有固有偶極，其在高頻變換的微波電磁場中還會出現誘導偶極，分子極化程度增 加。此外，極性分子在微波福照過程中隨交變電磁場運動會產生振蕩。極性分子在微波場中 偶極變化，在化學反應過程中與其他反應物的親和力將發生變化，有可能降低反應活化能， 促進反應的發生。極性分子在微波場中具有常規加熱所不具有的分子振蕩，將增加反應物 分子之間的碰撞次數，加快化學反應速率。因此，當微波輻照引入交聯劑與膠原材料的反應 體系后，不僅有熱效應所帶來的由于溫度上升而導致的交聯反應的變化，還具有非熱效應 產生的常規加熱方式所不具有的效果，在此條件下完成的膠原材料的交聯，勢必與常規加 熱條件下生成的產物存在差別，即微波非熱效應所產生的影響。
[0019] 通過測定不同交聯劑在水浴加熱和微波輻照后的介電常數，發現微波輻照后交聯 劑溶液的介電常數增加程度大于水浴加熱，表明交聯劑分子極性增加，說明在微波輻照過 程中除了熱效應，非熱效應是導致交聯劑分子極性額外增加的因素。
[0020] 與水浴加熱相比，在相同溫度下微波輻照的金屬鹽交聯劑的水解作用明顯增強， 表現為pH值降低和電導率上升得更明顯。這是由于在微波輻照下金屬鹽在水中形成的絡合 物偶極隨微波高頻變換的電磁場而變化，在此過程中絡合物分子極性增加，增強了中心離 子對水合層中氫的排斥力，電離出更多的氫離子，因此出現了pH值降低，電導率增加。同時 金屬絡合物的配聚也發生了改變，如硫酸鉻溶液的紫外一可見吸收光譜表明，微波輻照后 鉻的特征吸收峰發生紫移，短波特征吸收峰處吸光度與長波特征吸收峰處吸光度比值(R 值)增大，表明絡合物分子形成橋鍵或者環狀結構的趨勢增加。由于鉻絡合物配聚過程中通 過硫酸根、羥基或氧形成橋鍵，在微波輻照下，鉻絡合物的水解程度增加還產生了更多可以 形成橋鍵的基團。
[0021] 與水浴加熱相比，在相同溫度下微波輻照可以提高多酚類交聯劑膠體溶液的多分 散性。通過對微波輻照多酚類交聯劑膠體溶液的Zeta電位和粒徑測試發現，微波輻照可以 明顯降低體系粒徑，提高了多酚類交聯劑的多分散性。
[0022] 固體膠原材料由膠原蛋白通過形成一定的編織形成，通過對比微波輻照和水浴加 熱處理的膠原材料發現，膠原材料的介電常數增加，極性增加。通過掃描電鏡(SEM)觀察發 現，微波輻照提高了膠原纖維束的分散性和取向一致性。X射線衍射(XRD)結果發現，微波輻 照后膠原側鏈峰距和主鏈峰距均出現增加，表明微波輻照增加了膠原的分散性。
[0023] 上述研究結果表明，微波對交聯劑和膠原材料均有影響。用交聯劑對膠原材料進 行的交聯反應與普通的化學反應存在一定區別，主要表現為:首先，反應物之一的膠原材料 是熱敏性物質，當超過一定溫度限度后膠原材料發生變性，從而失去利用價值，即使是經過 交聯后的膠原材料，當溫度超過一定限度后也會變性，因此反應溫度不能超過某一限度;其 次，該交聯反應是一個非均相反應，在反應過程中交聯劑逐漸滲透入膠原材料內部，然后通 過改變反應體系的條件使交聯劑與膠原材料結合，完成交聯反應，因此該反應在同一反應 體系內存在明顯的滲透和結合過程;最后，為了完成交聯反應，往往需要在反應末期升高溫 度，以促進交聯劑與膠原材料的結合，這就使得該反應存在兩個不同的溫度階段。
[0024] 由于微波的非熱效應在一定程度上與熱效應存在正相關，因此在低溫下利用微波 輻照技術促進交聯劑與膠原材料的反應，不僅不能發揮出微波熱效應的優點，也不利于發 揮微波非熱效應對反應的促進作用。因此，本發明利用微波輻照技術提高交聯膠原材料的 熱穩定性是在膠原材料與交聯劑反應進行一定時間后實施的。經過交聯的膠原材料熱變性 溫度有所上升，可以經受更高的環境溫度，此時使用微波輻照，可以發揮微波加熱快速且均 勻的優勢，也可以增強微波的非熱效應，還可以降低由于反應初期溫度過高而產生的膠原 材料變性的風險。
[0025] 由于膠原材料的交聯反應是非均相反應，交聯劑不能充分地與膠原材料的活性基 團接觸，因此膠原材料的交聯過程中，部分交聯劑僅僅是通過物理吸附或者單點結合等不 牢固方式與膠原材料結合。要提高膠原材料的熱穩定性，必須在膠原蛋白間形成多點交聯， 以增強膠原材料的穩定性。在交聯后期，交聯劑已經滲透入膠原材料，此時進行微波輻照， 由于熱效應造成的交聯劑分子運動速度加快，以及非熱效應所產生的諸如極性交聯劑分子 在微波高頻變換的電磁場中產生的振蕩，將增大交聯劑與膠原蛋白的碰撞次數，特別是有 效碰撞次數，從而進一步提高交聯劑與膠原的反應和形成多點交聯的程度，從而提高交聯 劑對膠原材料的交聯效果，提高膠原材料的熱穩定性。
[0026] 由于微波加熱的整體性和內加熱的性質，因此微波加熱過程中存在過熱現象，因 此在需要較高反應溫度時，不能一次性升溫到位，需要階段升溫，避免過熱現象的發生及其 可能產生的對交聯膠原材料的損傷。微波輻照過程中如果一直采用恒定功率對體系進行輻 照，則體系溫度將一直上升，超過設定值，但是如果不采用微波輻照，由于反應體系與環境 的溫度差所產生的傳熱過程，反應體系溫度會逐漸降低。因此本發明采用一定功率的微波 對反應體系進行輻照，當溫度到達設定值時，再根據溫度傳感器的控制采用脈沖微波進行 保溫，既防止了微波一直加熱所產生的溫度過高的現象，又使體系在微波輻照下反應足夠 的時間，充分發揮微波非熱效應對化學反應的促進作用。
[0027]微波福照不僅可以提高交聯膠原材料的熱穩定性，還會對其他性質造成一定的正 面影響。通過對微波輻照下鉻交聯膠原材料進行光學顯微鏡和SEM觀察，并與水浴加熱交聯 的樣品相比，由于微波高頻變換的電場導致膠原材料極性基團發生定向排列，在此過程中 相同電荷基團的取向趨于一致的過程中產生的斥力，導致了膠原纖維分散程度提高。XRD結 果表明，微波輻照交聯膠原材料的膠原側鏈間距基本相同，但微波輻照輔助交聯的膠原的 無側鏈膠原間距減小，說明微波增大了膠原的結晶面間隔。此外，微波輻照交聯膠原材料的 抗張強度和撕裂強度也較水浴加熱的有所提高。
[0028]本發明一種微波輻照提高交聯膠原材料熱穩定性的方法，通過微波的熱效應對交 聯過程進行加熱，可以省去傳統加熱裝置，加熱速度快而均勻，同時利用微波的非熱效應， 使交聯劑和膠原材料在高頻變換的電磁場中產生瞬時偶極，導致極性增加，促進了交聯反 應的發生，并增強了交聯反應的效果，使微波輔助交聯后膠原材料的濕熱穩定性出現了提 尚。
[0029]本發明具還有以下優點：
[0030] 1、本發明采用微波輻照，不僅利用微波的熱效應調整反應溫度至規定值，還利用 微波輻照進行保溫，在此過程中微波的非熱效應提高了交聯膠原材料的熱穩定性，實用性 強。
[0031] 2、由于微波對水溶液體系的加熱速度很快，可以快速將反應體系溫度調整至規定 值，因此可以縮短反應時間，節約能源。
[0032] 3、采用本發明提供的方法，對常規交聯處理后的膠原材料進行微波輻照，不改變 交聯處理工藝，不明顯延長反應時間和交聯劑用量，而在溫和的反應條件下提高交聯膠原 材料的熱穩定性，可實施性強。
【具體實施方式】
[0033] 下面給出實施例以對本發明作更詳細的說明，有必要指出的是以下實施例不能理 解為對本發明保護范圍的限制，該領域的技術熟練人員根據上述本
【發明內容】
對本發明做出 的一些非本質的改進和調整仍屬于本發明的保護范圍。
[0034] 實施例1:按常規工藝完成的堿式硫酸鉻和塊狀膠原材料體系，在進行交聯的交聯 劑溶液中利用140W的微波輻照將體系溫度升高至30 °C并保溫lOmin;再利用200W的微波輻 照將體系溫度升高至40°C并保溫60min，微波輻照交聯后的膠原材料根據所需用途按照常 規方法進行后續加工即可。
[0035] 實施例2:按常規工藝完成的硫酸鋁和粉狀膠原材料體系，在進行交聯的交聯劑溶 液中利用150W的微波輻照將體系溫度升高至30 °C并保溫20min;再利用400W的微波輻照將 體系溫度升高至45°C并保溫30min，微波輻照交聯后的膠原材料根據所需用途按照常規方 法進行后續加工即可。
[0036] 實施例3:按常規工藝完成的荊樹皮單寧和塊狀膠原材料體系，在進行交聯的交聯 劑溶液中利用200W的微波輻照將體系溫度升高至35 °C并保溫30min;再利用200W的微波輻 照將體系溫度升高至40°C并保溫30min;再利用300W的微波輻照將體系溫度升高至50°C并 保溫30min，微波輻照交聯后的膠原材料根據所需用途按照常規方法進行后續加工即可。 [0037]實施例4:按常規工藝完成的落葉松單寧和塊狀膠原材料體系，，在進行交聯的交 聯劑溶液中利用600W的微波輻照將體系溫度升高至40°C并保溫20min;再利用200W的微波 輻照將體系溫度升高至50°C并保溫30min，微波輻照交聯后的膠原材料根據所需用途按照 常規方法進行后續加工即可。
[0038] 實施例5:按常規工藝完成的硫酸鋯和粉狀膠原材料體系，，在進行交聯的交聯劑 溶液中利用250W的微波輻照將體系溫度升高至40°C并保溫40min;再利用300W的微波輻照 將體系溫度升高至45°C并保溫30min;再利用300W的微波輻照將體系溫度升高至50°C并保 溫35min，微波輻照交聯后的膠原材料根據所需用途按照常規方法進行后續加工即可。
[0039] 實施例6:按常規工藝完成的楊梅單寧和粉狀膠原材料體系，，在進行交聯的交聯 劑溶液中利用500W的微波輻照將體系溫度升高至40 °C并保溫35min;再利用200W的微波輻 照將體系溫度升高至50°C并保溫25min，微波輻照交聯后的膠原材料根據所需用途按照常 規方法進行后續加工即可。
[0040] 實施例7:按常規工藝完成的硫酸鋁和塊狀膠原材料體系，，在進行交聯的交聯劑 溶液中利用300W的微波輻照將體系溫度升高至35 °C并保溫55min;再利用200W的微波輻照 將體系溫度升高至45°C并保溫15min，微波輻照交聯后的膠原材料根據所需用途按照常規 方法進行后續加工即可。
[0041] 實施例8:按常規工藝完成的硫酸鉻和塊狀膠原材料體系，在進行交聯的交聯劑溶 液中利用2〇〇w的微波輻照將體系溫度升高至35 °C并保溫30min;再利用300W的微波輻照將 體系溫度升高至40°C并保溫50min;再利用400W的微波輻照將體系溫度升高至50°C并保溫 3〇 min;再利用500W的微波輻照將體系溫度升高至60°C并保溫lOmin，微波輻照交聯后的膠 原材料根據所需用途按照常規方法進行后續加工即可。
[0042] 實施例9:按常規工藝完成的硫酸鈦和塊狀膠原材料體系，，在進行交聯的交聯劑 溶液中利用350W的微波輻照將體系溫度升高至35 °C并保溫40min;再利用450W的微波輻照 將體系溫度升高至45°C并保溫40min，微波輻照交聯后的膠原材料根據所需用途按照常規 方法進行后續加工即可。
[0043] 實施例10:按常規工藝完成的橡椀單寧和粉狀膠原材料體系，，在進行交聯的交聯 劑溶液中利用180W的微波輻照將體系溫度升高至35 °C并保溫90min;再利用300W的微波輻 照將體系溫度升高至45°C并保溫60min，微波輻照交聯后的膠原材料根據所需用途按照常 規方法進行后續加工即可。
[0044] 實施例11:按常規工藝完成的硫酸鈦和塊狀膠原材料體系，，在進行交聯的交聯劑 溶液中利用300W的微波輻照將體系溫度升高至40 °C并保溫40min;再利用300W的微波輻照 將體系溫度升高至45°C并保溫30min;再利用300W的微波輻照將體系溫度升高至50°C并保 溫20min，微波輻照交聯后的膠原材料根據所需用途按照常規方法進行后續加工即可。
[0045] 實施例12:按常規工藝完成的硫酸鈦和粉狀膠原材料體系，在進行交聯的交聯劑 溶液中利用300W的微波輻照將體系溫度升高至30 °C并保溫30min;再利用350W的微波輻照 將體系溫度升高至35°C并保溫lOOmin;再利用400W的微波輻照將體系溫度升高至40°C并保 溫20min，微波輻照交聯后的膠原材料根據所需用途按照常規方法進行后續加工即可。
[0046] 實施例13:按常規工藝完成的荊樹皮單寧和粉狀膠原材料體系，在進行交聯的交 聯劑溶液中利用500W的微波輻照將體系溫度升高至40°C并保溫30min;再利用300W的微波 輻照將體系溫度升高至45°C并保溫30min，微波輻照交聯后的膠原材料根據所需用途按照 常規方法進行后續加工即可。
[0047] 實施例14:按常規工藝完成的硫酸鉻和粉狀膠原材料體系，在進行交聯的交聯劑 溶液中利用160W的微波輻照將體系溫度升高至30 °C并保溫60min;再利用300W的微波輻照 將體系溫度升高至38°C并保溫60min;再利用300W的微波輻照將體系溫度升高至42°C并保 溫60min，微波輻照交聯后的膠原材料根據所需用途按照常規方法進行后續加工即可。 [0048]為了考察本發明提供的方法對提高交聯膠原材料熱穩定性的效果，以上實施例所 得的微波輻照處理的交聯膠原材料(實驗樣），僅完成常規交聯反應而未進行微波輻照的交 聯膠原材料(對比樣），應用DSC-2C差示量熱掃描儀(美國PERKIN-Elmyer公司）對待測樣品 的熱變性溫度進行測定，以表征樣品的熱穩定性，檢測結果如下表所示。
[0049]
[0051]上述實施方式旨在舉例說明本發明可為本領域專業技術人員實現或使用，對上述 實施方式進行修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，故本發明包括但不限于 上述實施方式，任何符合本權利要求書或說明書描述，符合與本文所公開的原理和新穎性、 創造性特點的方法、工藝、產品，均落入本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種微波輻照提高交聯膠原材料熱穩定性的方法，其特征是：先按常規方法完成交 聯劑和固體膠原材料的交聯反應，然后再采用功率為140~600W的微波，分2~4次對交聯劑 和固體膠原材料的反應體系進行輻照，將體系的溫度升高至30~60°C，每次升溫至規定值 后至少在該溫度下利用微波場保溫lOmin，微波輻照交聯后的膠原材料根據所需用途按照 常規方法進行后續加工即可。2. 根據權利要求1所述的微波輻照提高交聯膠原材料熱穩定性的方法，其特征是:所述 交聯劑為金屬鹽交聯劑和多酚類交聯劑中的任意一種。3. 根據權利要求2所述的微波輻照提高交聯膠原材料熱穩定性的方法，其特征是:所述 金屬鹽交聯劑為硫酸鉻、堿式硫酸鉻、硫酸鋁、硫酸鈦和硫酸鋯中的任意一種。4. 根據權利要求2所述的微波輻照提高交聯膠原材料熱穩定性的方法，其特征是:所述 多酚類交聯劑為橡椀單寧、楊梅單寧、荊樹皮單寧和落葉松單寧中的任意一種。5. 根據權利要求1所述的微波輻照提高交聯膠原材料熱穩定性的方法，其特征是:所述 固體膠原材料為粉狀膠原材料或塊狀膠原材料中的任意一種。6. 根據權利要求1所述的微波輻照提高交聯膠原材料熱穩定性的方法，其特征是:所述 微波場保溫時間為20~60min。
【文檔編號】C08J3/28GK105906825SQ201610331673
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月18日
【發明人】陳武勇, 張金偉, 吳佳城, 張昌龍, 滕博
【申請人】四川大學