一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法，先制備乙烯基膠原蛋白溶液；在一定濃度的光引發劑存在下，將乙烯基膠原蛋白溶液置于紫外光照下，經數小時輻照交聯成膜，所得的膜不溶于水，且強度較大。本發明對膠原蛋白進行乙烯基改性，經過引發劑引發紫外交聯后，乙烯基膠原蛋白有致密的網狀結構。改善了膠原蛋白膜的力學性能，成功的解決了膠原蛋白膜力學性能不足的問題。該工藝簡單，所需原料較少，具有良好的經濟效益和社會應用價值。
【專利說明】
一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法
技術領域
[0001] 本發明屬于高分子材料技術領域，具體涉及一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方 法。
【背景技術】
[0002] 膠原蛋白富含于動物的皮、軟骨、韌帶、肌腱及其它結締組織中，國內有極其豐富 的資源。由于我國大部分的皮資源均以制革等形式加以利用，利用率極低，而產生的皮革固 體廢棄物如不加以回收利用，則不僅會占用場地、污染環境，而且也是對膠原蛋白資源的極 大浪費。近20年來，隨著分子生物學的發展，人們對膠原性質的認識已越來越深入，其應用 領域也更為廣泛。
[0003] 對于膠原蛋白膜，國內和國外的成型方法有很多種。國內的大部分研究都采用澆 鑄成膜的方法，而國外則較多采用機械擠出的方法。馬春輝等研究認為，較為理想的制備膠 原蛋白膜的工藝條件為:配制4.5 %的膠原蛋白溶-依次加入0.4%淀粉、0.25%戊二醛、 0.25%增塑劑增稠-真空脫氣-涂布于光滑玻璃板上-干燥-揭膜。羅愛平等認為，用甘 油、氯化鈣作交聯劑對于增強膠原蛋白膜的柔韌性、機械性能更佳，制膜工藝為：12%膠原 蛋白溶液-熱處理(70~l〇〇°C，15min)-加入甘油、|丐交聯劑-溶解、混合-過濾-增稠- 真空脫氣-涂布-烘干(60~70°C，5h)-疊加類脂層-再干燥-揭膜-乙醇溶液揮發處理 -自然干燥。國外與國內的成形方法則顯著不同，其操作要點為:酸溶脹真皮層-研磨成漿 料-過濾、均化-擠出-凝聚-鞣制-增塑-干燥-成膜。這種方法雖然賦予了膠原蛋白 膜機械強度，但同時這種優良機械強度的膠原蛋白膜制備過程相對復雜，其中需要設備也 較多。盧黃華等人用草魚的魚鱗中提取膠原蛋白，采用澆注成膜法制作膠原蛋白膜，具體實 施步驟為:將魚鱗膠原蛋白制成2%膠原蛋白水溶液和2%殼聚糖(脫乙酰度不小于90.0 % ) 水溶液按不同質量比混合均勻，同時調節成膜條件，在冷凍高速離心機中800r/min高速攪 拌lOmin。采用傾注法將配制好并經過真空脫氣的成膜液水平放置于塑料圓盤中，經古風干 燥后接膜即為樣品，樣品置于干燥器中保存備用。其試驗驗證得到：在成膜溫度為45°C，pH 為5、膠原蛋白與殼聚糖的配比6:4時所制備的魚鱗膠膠原蛋白膜性能最好，抗張強度 61.27MPa，斷裂伸長率為5.17%。而本發明中運用簡單的方法，用量較少的膠原蛋白形成斷 裂伸長率在7%左右的膠原蛋白膜。形成了機械性能較好的乙烯基膠原蛋白膜，使得碳碳雙 鍵接枝在膠原蛋白的分子鏈上，進而交聯在膠原蛋白表面形成致密的結構。
[0004] 本發明通過紫外光照乙烯基膠原蛋白成膜，成功地制備一種機械性能優異的膠原 蛋白膜，該工藝簡單、對環境無害，具有較好的經濟效益和社會效益。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法，解決了現有膠原蛋 白膜的制備工藝復雜，以及制得的膠原蛋白膜物理機械性能差的問題。
[0006] 本發明所采用的技術方案為，一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法，具體按照 以下步驟實施：
[0007] 步驟1，制備乙烯基膠原蛋白溶液；
[0008] 步驟2,取光引發劑加入到步驟1所得乙烯基膠原蛋白溶液中，在40°C下超聲波震 蕩30min，混合均勾，備用；
[0009] 步驟3,將步驟2后混合均勻的溶液倒入聚四氟乙烯的模具中，放置在紫外交聯儀 中進行光照成膜，晾干后，即得。
[0010] 本發明的特征還在于，
[0011] 步驟1中，乙烯基膠原蛋白溶液的具體制備過程為：
[0012] 步驟1.1:稱取膠原蛋白置于磷酸緩沖溶液中，在70°C ± 2°C條件下，攪拌0.5~lh， 使其充分溶解，得膠原蛋白溶液；
[0013]步驟1.2:在50°C溫度下水浴條件下將甲基丙烯酸酐滴加到步驟1.1所得膠原蛋白 溶液中，反應3h，透析后，即得。
[0014] 步驟1.1中，膠原蛋白的重均分子質量為145508~181266。
[0015]步驟1.1中，膠原蛋白與磷酸緩沖溶液的質量體積比為1:8~1:12(g/mL)。
[0016] 步驟1.2中，甲基丙烯酸酐的質量濃度為94%，甲基丙烯酸酐與膠原蛋白的質量體 積比為0.1:5~2.4:5(mL/g)，滴加速度為lmL/min。
[0017] 步驟1.2中，透析過程為:將溶液倒入透析袋(截留分子質量為3500D)中，用去離子 水作為透析液，在40°C ± 2°C的溫度下，透析24h。
[0018] 步驟1所得的乙烯基膠原蛋白溶液的固含量為5.5%~6.5%。
[0019] 步驟2中，光引發劑為紫外光引發劑Irgacure?2959,光引發劑在乙烯基膠原蛋白 溶液中的濃度為〇. 0005 %~0.05 %。
[0020] 步驟3中，成膜條件為在波長為365nm紫外光下輻照1~7h交聯成膜。
[0021] 本發明的有益效果是，對膠原蛋白進行乙烯基改性，經過引發劑引發紫外交聯后， 乙烯基膠原蛋白有致密的網狀結構。改善了膠原蛋白膜的力學性能，成功的解決了膠原蛋 白膜力學性能不足的問題。該工藝簡單，所需原料較少，具有良好的經濟效益和社會應用價 值。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法所得膠原蛋白膜的SEM圖；
[0023]圖2為未經紫外輻射交聯所得膠原蛋白膜的SEM圖；
[0024]圖3為本發明一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法所得膠原蛋白膜與未經紫外 輻射交聯所得膠原蛋白膜的紅外譜圖對比；
[0025] 圖4為本發明一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法實施例1所得膠原蛋白膜的 ESEM 圖；
[0026] 圖5為本發明一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法實施例2所得膠原蛋白膜的 ESEM 圖；
[0027] 圖6為本發明一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法實施例3所得膠原蛋白膜的 ESEM 圖；
[0028] 圖7為本發明一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法實施例4所得膠原蛋白膜的 ESEM 圖；
[0029] 圖8為本發明一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法實施例5所得膠原蛋白膜的 ESEM 圖；
[0030] 圖9為本發明一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法實施例6所得膠原蛋白膜的 ESEM 圖；
[0031] 圖10為本發明一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備中乙烯基膠原蛋白的取代度對 所得膠原蛋白膜抗張強度和斷裂伸長率的影響關系圖；
[0032] 圖11為本發明一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備中乙烯基膠原蛋白的取代度對 所得膠原蛋白膜溶脹度的影響關系圖；
[0033] 圖12為本發明一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備中乙烯基膠原蛋白的取代度對 所得膠原蛋白膜失重率的影響關系圖；
[0034]圖13為本發明一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備中紫外輻照時間對所得膠原蛋 白膜抗張強度和斷裂伸長率的影響關系圖；
[0035]圖14為本發明一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備中紫外輻照時間對所得膠原蛋 白膜溶脹度的影響關系圖；
[0036]圖15為本發明一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備中紫外輻照時間對所得膠原蛋 白膜失重率的影響關系圖；
[0037]圖16為本發明一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備中引發劑濃度對所得膠原蛋白 膜溶脹度的影響關系圖；
[0038]圖17為本發明一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備中引發劑濃度對所得膠原蛋白 膜失重率的影響關系圖。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0040]本發明為一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法，具體按照以下步驟實施：
[0041 ] 步驟1，稱取膠原蛋白（重均分子質量為145508~181266)置于磷酸緩沖溶液中，在 70°C±2°C條件下，攪拌0.5~lh，使其充分溶解，得膠原蛋白溶液;在50°C溫度下水浴條件 下將甲基丙烯酸酐滴加到膠原蛋白溶液中，甲基丙烯酸酐與膠原蛋白的質量體積比為〇. 1: 5~2.4:5(mL/g)攪拌3h，對膠原蛋白透析處理，得不同取代度的乙烯基膠原蛋白（CMA)溶 液。
[0042]步驟2,稱取光引發劑加入到步驟1所得乙烯基膠原蛋白溶液中，在40°C下超聲波 震蕩30min，混合均勻，備用；其中，光引發劑的濃度為0.0005%~0.05%;光引發劑為紫外 光引發劑 Irgacure?2959。
[0043]步驟3,將步驟2混合均勻的溶液倒入聚四氟乙烯的模具中，放置在紫外交聯儀中， 在波長為365nm紫外光進行光照1~7h交聯成膜，取出自然晾干，得CMA膜。
[0044]以下從原理方面對本發明進行說明：
[0045] 1)乙烯基膠原蛋白的制備
[0046]膠原蛋白與磷酸緩沖溶液的質量體積比為1:8~1:12(g/mL)，置于70°C ±2°C溫度 下攪拌0.5~lh。其中，磷酸緩沖溶液的pH為7.4,主要目的是將膠原蛋白充分溶解，提供相 對穩定的pH環境。
[0047]甲基丙烯酸酐在加熱的條件下可以和膠原蛋白中的賴氨酸殘基中伯氨-NH2發生 反應生成酰胺鍵，使甲基丙烯酸酐中的C = C引入到膠原蛋白結構中。在反應過程中磷酸緩 沖溶液主要是用來溶解膠原蛋白，提供一個相對溫和的反應環境。甲基丙烯酸酐用量的多 少直接關系到接枝后C = C雙鍵數目的多少，甲基丙烯酸酐用量太少，在膠原蛋白表面接枝 形成的C = C雙鍵數目就少，不會再膠原蛋白間形成交聯作用。一般情況下反應時間和反應 溫度之間是有交互作用的，溫度高分子運動加快，反應效率提升，反應時間縮短;溫度低分 子運動減慢，反應效率降低，反應時間增長。
[0048] 2)乙烯基膠原蛋白膜的制備原理如下式所示，乙烯基膠原蛋白分子鏈上的C = C分 別經過鏈引發、鏈增長和鏈終止三個階段交聯成膜。
[0049] (1)鏈引發 L，J」 玲 II：
[0054]
[0055] 實施例1
[0056] 步驟1，稱取分子質量為181266的膠原蛋白5.0g，置于50mL磷酸緩沖溶液(pH 7.4) 中，70°C下攪拌0.5h，使其充分溶解，得膠原蛋白溶液;待其溫度降至穩定時，在50°C溫度下 水浴條件下將O.lmL甲基丙烯酸酐以lmL/min速率滴加到膠原蛋白溶液中，反應2h，將改性 后的膠原蛋白溶液置于分子量大小3500D的透析袋中，用去離子水作為透析液，在40°C溫度 下透析24h，取出得不同取代度的乙烯基膠原蛋白溶液；
[0057]步驟2，選取光引發劑的在膠原蛋白溶液中的濃度為0.006 %，將光引發劑 (Irgacure?2959 )加于步驟1的乙烯基膠原蛋白溶液中，在40°C下超聲波震蕩30min，混合 均勻。
[0058]步驟3,將步驟2中混合均勻的膠原蛋白溶液倒入聚四氟乙烯模具中，放置于紫外 交聯儀中照射3h，取出后自然晾干，的不同取代度的CMA膜。
[0059] 實施例2~6
[0060] 參見實施例1，與實施例1不同的是，步驟1中，在50°C溫度下水浴條件下依次將 0.3mL、0.6mL、1.2mL、1.5mL和1.8mL甲基丙烯酸酐以lmL/min速率滴加到膠原蛋白溶液中。 [0061 ] 實施例7
[0062] 步驟1，稱取分子質量為145508的膠原蛋白5.0g，置于50mL磷酸緩沖溶液(pH 7.4) 中，70°C下攪拌0.5h，使其充分溶解，得膠原蛋白溶液;待其溫度降至穩定時，在50°C溫度下 水浴條件下將1.2mL甲基丙烯酸酐以lmL/min速率滴加到膠原蛋白溶液中，反應2h，將改性 后的膠原蛋白溶液置于分子量大小3500D的透析袋中，用去離子水作為透析液，在40°C溫度 下透析24h，取出得取代度為73 %的乙烯基膠原蛋白溶液；
[0063]步驟2，選取光引發劑的在膠原蛋白溶液中的濃度為0.006 %，將光引發劑 (Irgacure?2:959 )加于步驟1的乙烯基膠原蛋白溶液中，在4〇°C下超聲波震蕩3〇min，混合 均勻。
[0064] 步驟3,將步驟2中混合均勻的膠原蛋白溶液倒入聚四氟乙烯模具中，放置于紫外 交聯儀中，在波長為365nm紫外光照射lh，取出后自然晾干，得CMA膜。
[0065] 實施例8~13
[0066]參見實施例7,與實施例7不同的是，步驟3中，放置于紫外交聯儀中照射2h，3h，4h， 5h，6h和7h，取出后自然晾干。
[0067] 實施例14
[0068] 步驟1，稱取分子質量為160000的膠原蛋白5.0g，置于50mL磷酸緩沖溶液(pH 7.4) 中，70°C下攪拌0.5h，使其充分溶解，得膠原蛋白溶液;待其溫度降至穩定時，在50°C溫度下 水浴條件下將1.2mL甲基丙烯酸酐以lmL/min速率滴加到膠原蛋白溶液中，反應2h，將改性 后的膠原蛋白溶液置于分子量大小3500D的透析袋中，用去離子水作為透析液，在40°C溫度 下透析24h，得取代度為73 %的乙烯基膠原蛋白溶液；
[0069] 步驟2,按照光引發劑在膠原蛋白溶液中的濃度為0.0005%的比例，將光引發劑 (Irgacure⑧2959)加于步驟1的乙烯基膠原蛋白溶液中，在40°C下超聲波震蕩30min，混合 均勻。
[0070] 步驟3,將步驟2中混合均勻的膠原蛋白溶液倒入聚四氟乙烯模具中，放置于紫外 交聯儀中照射3h，取出后自然晾干，得CMA膜。
[0071] 實施例15~21
[0072] 參見實施例14，與實施例14不同的是，步驟2中，光引發劑在膠原蛋白溶液中的濃 度為0.001%，0.005%、0.01%、0.015%、0.02%和0.05%。
[0073]圖1為本發明一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法所得膠原蛋白膜的SEM圖，圖 2未經紫外輻射交聯所得膠原蛋白膜的SEM圖，從圖中可以看出，經過紫外交聯后的乙烯基 膠原蛋白（圖1)有明顯的網孔，有致密的網絡結構。證明經過紫外輻照，改性膠原蛋白上的C =C雙鍵發生了聚合反應，并交聯規則的致密的網絡結構。同時，還對其分別進行了紅外光 譜測試，如圖3,結果表明：未交聯CMA在925CHT 1和955CHT1處有出峰，此峰為RCH3C = CH2結構 中雙鍵碳上氫的面外彎曲振動峰，但這些峰在CMA被紫外引發交聯后全部消失，說明在紫外 弓丨發交聯反應中C = C參與了反應，證明了 CMA發生了交聯。
[0074]此外，本發明對不同取代度下所得膠原蛋白膜的ESEM圖進行了對比分析，見圖4~ 圖9,其取代度依次分別為15% (圖4)、50% (圖5)、67% (圖6)、73% (圖7)、79%(圖8)、83% (圖9)。圖中4和5的放大倍數相同（X2000)，而且可以很清楚的看到網絡結構，并具有規則 均一大小的網孔，特別是取代度為15%的改性膠原蛋白膜。相比之下取代度為50% (圖5)的 改性膠原蛋白膜的網孔很小，交聯網絡致密，可以看清楚均勻的網孔結構。隨著取代度的增 加在較大放大倍數下（X4000)，可以看見改性膠原蛋白膜致密均勻的網絡結構。而且隨著 取代度的增加，改性膠原蛋白膜的網孔越小，網絡結構越致密。
[0075] 進一步對不同取代度的乙烯基膠原蛋白對所得膠原蛋白膜的抗張強度和斷裂伸 長率、溶脹度、失重率的影響關系進行了研究，結果表明：隨著取代的增加改性膠原蛋白膜 的抗張強度在不斷增加，彈性伸長率在不斷下降。改性膠原蛋白取代度越大，膜的交聯程度 越大，從而引起膜的抗張強度的增加（如圖10所示）。隨著取代度的增加，膠原蛋白膜在水 中的溶脹度也逐漸減少(見圖11)、失重率也逐漸減少(見圖12)。
[0076] 此外，本發明中，紫外輻照時間和引發劑濃度也是決定所得膠原蛋白膜性能的關 鍵因素，其中，紫外輻照時間對所得膠原蛋白膜抗張強度和斷裂伸長率、溶脹度以及失重率 的影響關系進行了研究，結果表明：隨著輻照時間的延長改性膠原蛋白膜的抗張強度在不 斷增加，彈性伸長率在不斷下降。當輻照時間在3h~5h時，改性膠原蛋白膜的抗張強度相對 比較大，同時彈性伸長率相對比較小。當輻照時間再繼續增加時，改性膠原蛋白的抗張強度 在減小，彈性伸長流程在同時減小(見圖13);隨著紫外輻照時間的增加，膠原蛋白膜的溶脹 度和失重率在逐漸減小，當紫外輻照時間大于3小時時，膠原蛋白膜的溶脹度和失重率變化 不大(如圖14和圖15所示）。如圖16所示，隨著引發劑濃度的增加，膠原蛋白膜在水中的失重 率是呈現先增大后減小的趨勢，引發劑濃度在〇. 005%~0.01范圍內引發效率最好。圖17為 引發劑濃度與改性膠原蛋白膜失重率的變化趨勢，由圖可以得出，隨著引發劑濃度的增加， 膠原蛋白膜在水中的溶脹度先增大后減小的趨勢，引發劑濃度在0.005%~0.01 %范圍內 引發效率最好。
[0077]本發明一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法，將膠原蛋白進行乙烯基改性，用 紫外光照射膠原蛋白交聯反應、成膜，顯著提高了膠原蛋白膜的溶脹度、物理機械性能，且 所得的膜不溶于水。
【主權項】
1. 一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法，其特征在于，具體按照以下步驟實施： 步驟1，制備乙烯基膠原蛋白溶液； 步驟2,取光引發劑加入到步驟1所得乙烯基膠原蛋白溶液中，在40°C下超聲波震蕩 30min，混合均勾，備用； 步驟3,將步驟2后混合均勻的溶液倒入聚四氟乙烯的模具中，放置在紫外交聯儀中進 行光照成膜，晾干后，即得。2. 根據權利要求1所述的一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法，其特征在于，步驟1 所得的乙烯基膠原蛋白溶液的固含量為5.5%~6.5%。3. 根據權利要求2所述的一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法，其特征在于，步驟1 中，乙烯基膠原蛋白溶液的具體制備過程為： 步驟1.1:稱取膠原蛋白置于磷酸緩沖溶液中，在70°C ± 2°C條件下，攪拌0.5~Ih，使其 充分溶解，得膠原蛋白溶液； 步驟1.2:在50°C溫度下水浴條件下將甲基丙烯酸酐滴加到步驟1.1所得膠原蛋白溶液 中，反應3h，透析后，即得。4. 根據權利要求3所述的一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法，其特征在于，步驟 1.1中，膠原蛋白的重均分子質量為145508~181266。5. 根據權利要求4所述的一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法，其特征在于，步驟 1.1中，膠原蛋白與磷酸緩沖溶液的質量體積比為1:8~1:12。6. 根據權利要求3所述的一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法，其特征在于，步驟 1.2中，甲基丙烯酸酐的質量濃度為94%，甲基丙烯酸酐與膠原蛋白的質量體積比為0.1: 5 ~2.4:5，滴加速度為111117/111；[11。7. 根據權利要求6所述的一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法，其特征在于，步驟 1.2中，透析過程為:將溶液倒入透析袋中，用去離子水作為透析液，在40°C ±2°C的溫度下， 透析24h。8. 根據權利要求1所述的一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法，其特征在于，步驟2 中，光引發劑為紫外光引發劑Irgacure?2959，光引發劑在乙烯基膠原蛋白溶液中的濃度 為0.0005% ~0.05%〇9. 根據權利要求1所述的一種乙烯基改性膠原蛋白膜的制備方法，其特征在于，步驟3 中，成膜條件為在波長為365nm紫外光下福照1~7h交聯成膜。
【文檔編號】C08H1/00GK106009011SQ201610393908
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月6日
【發明人】徐娜, 王學川, 任龍芳, 馬向東, 石葉葉, 強濤濤
【申請人】陜西科技大學