戊二醛交联改性鼠尾I型胶原纤维的结构与性能研究

张积财，丁长坤，杨 宁，贾 堤，程博闻

(天津工业大学 材料科学与工程学院改性与功能纤维天津市重点实验室，天津 300387)

戊二醛交联改性鼠尾I型胶原纤维的结构与性能研究

张积财，丁长坤*，杨 宁，贾 堤，程博闻

(天津工业大学 材料科学与工程学院改性与功能纤维天津市重点实验室，天津 300387)

以自制的鼠尾I型胶原为原料，经湿法纺丝制备胶原纤维，采用戊二醛蒸气对胶原纤维进行交联改性处理，对交联改性前后纤维的结构和性能进行了表征。结果表明：经戊二醛交联改性处理后，胶原纤维的断裂强度得到提高，与未交联胶原纤维相比，交联处理20 min的胶原纤维断裂强度提高了15.8%；交联改性胶原纤维抗水性明显提高，交联20 min后，吸水率明显减小且趋于稳定；戊二醛在胶原纤维表面发生了化学反应，交联改性胶原纤维的三股螺旋结构的稳定性和热稳定性提高。

胶原纤维 戊二醛 交联改性 力学性能 热稳定性 吸水性能

胶原蛋白主要存在于动物的皮、骨、肌腱等组织中，占体内蛋白质总量的25%～33%[1]，具有良好的生物相容性、生物可降解性和低抗原性[2-4]，广泛应用于食品工业、医疗、化妆品等方面[5-6]。虽然胶原优异的物理、化学性质受到广泛重视和应用，但胶原与其他天然材料一样存在一定的性能缺陷，如：胶原容易受热变性、机械性能和抗水性差、在生物体内的降解速度难以调节等，在许多场合下都无法很好地满足应用要求，严重限制了胶原材料的应用范围。为了满足实际应用对胶原材料性能多样性的要求，所以需要对胶原材料进行一定程度的改性[7]。目前，胶原蛋白的改性方法主要有物理交联、化学交联以及与其他高分子材料共混等[8-10]。戊二醛是一种常用的高效交联剂，水溶性良好，具有双官能团且价格低廉。戊二醛的两个醛基可分别与相同或不同胶原分子的两个伯氨基形成希夫碱，形成以五元环的方式连接起来的分子内或分子间的交联键[11-12]，有效提高胶原蛋白的热稳定性与力学性能。由于自制胶原纤维抗水性较差，如若采用液相醛化，胶原纤维会吸水溶胀，破坏胶原纤维结构，作者通过戊二醛蒸气对胶原纤维进行交联处理，分析了不同交联时间对胶原纤维形貌、力学性能、热稳定性和吸水性能等性质的影响。

1 实验

1.1 原料与试剂

鼠尾I型胶原：相对分子质量约为3×105，自制；戊二醛、醋酸、丙酮、氨水：分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司提供。

1.2 胶原纤维的制备及其交联改性

将胶原溶于0.5 mol/L 醋酸溶液中，离心脱泡得到胶原质量分数为4.5%的纺丝液。以丙酮为凝固浴，氨水调节pH值为8～9，通过湿法纺丝制备胶原初生纤维，将其悬挂在自重下自然风干得到胶原纤维。利用戊二醛易挥发的特点，将胶原纤维置于封闭的容器中，纤维不与戊二醛溶液接触，利用戊二醛蒸气对其进行交联改性处理，常温下交联10，20，30，40，50 min，得到的戊二醛交联改性胶原纤维试样分别标记为1#，2#，3#，4#，5#，未交联改性的胶原纤维标记为0#试样。

1.3 分析与测试

红外光谱(FTIR)：将冷冻干燥后的纤维试样少许与KBr粉末一起放入玛瑙研钵中研碎，纤维和KBr质量比约为1:100，然后进行压片，用德国布鲁克TENSOR37型傅里叶变换红外光谱仪进行测试。测试波数为400～4 000 cm-1，间隔为2 cm-1。

力学性能：采用莱州电子仪器有限公司LLY-06型电子单纤维强力仪测试。试样长度10 mm，拉伸速率10 mm/min，重复10次取平均值。

表面形态：采用日本日立公司S- 4800型场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察胶原纤维交联前后的表面形貌。观察前纤维表面经喷金处理，加速电压为10 kV。

吸水性能：取一定质量(W1)的纤维放入蒸馏水中10 min，取出后去除纤维表面的水分，称重(W2)，计算吸水率(S)，见式(1)：

S=(W2-W1)/W1×100%

(1)

热稳定性：采用Netzsch公司STA409 PC/PG型热重(TG)分析仪进行测试，在氮气环境中以10 ℃/min的升温速率从30 ℃加热到800 ℃。

2 结果与讨论

2.1 FTIR分析

从图1可以看出：纯胶原纤维在3 436 cm-1为酰胺A峰(N—H伸缩振动)，2 930 cm-1为酰胺B峰(CH2伸缩振动)，1 634 cm-1为酰胺I峰(C＝O伸缩振动)，1 551 cm-1为酰胺Ⅱ峰 (N—H弯曲振动，C—N伸缩振动)，1 253 cm-1为酰胺Ⅲ峰(C—N 伸缩振动和N—H 弯曲振动)，这5个峰为胶原的主要特征峰[13-15]；交联改性胶原纤维与胶原三股螺旋结构相关的酰胺I带的位置和强度未发生明显的变化，并且仍然具有较高的吸收强度，表明交联前后胶原的三股螺旋结构保存完好；与未交联的胶原纤维比较，在交联10 min和20 min后，1 754 cm-1处出现了新峰，而在30 min以后该峰消失。

图1 胶原纤维试样的FTIR图谱Fig.1 FTIR spectra of collagen fibers

这是因为戊二醛为双官能团的交联剂，其含有两个醛基，在戊二醛与胶原分子反应的过程中，存在单点和双点结合，单点反应即戊二醛中的一个醛基参与反应，另外一个醛基并未发生反应，从而在胶原分子上引入了游离的醛基，在1 754 cm-1处出现了醛基的C＝O的伸缩振动峰，而在交联20 min后，交联反应接近终点，戊二醛在胶原的表面可能发生缩合反应，降低胶原表面醛基含量，所以在交联30 min后此处的峰消失[11-12]。

2.2 力学性能

从图2可看出：胶原纤维的断裂强度随交联时间的增加呈先增加后减小趋势，在交联时间为20 min时，断裂强度达到最大值为0.88 cN/dtex，与未交联的胶原纤维相比提高了15.8%；在交联前10 min内，胶原分子与戊二醛的反应程度较低，力学性能未发生明显变化，随着反应的进行，纤维断裂强度发生明显的增强并在交联20 min时达到最大，而20 min后，纤维的断裂强度开始下降，并在30～50 min维持在一定范围内，同时纤维开始变得僵硬，这主要是因为交联反应在20 min后接近终点，过多的戊二醛分子已不再生成交联键，而是和胶原分子上的游离氨基发生单点结合或其他副反应，同时没有参加反应的戊二醛会在纤维表面和内部发生聚合，造成纤维变脆。

图2 交联时间对胶原纤维断裂强度的影响Fig.2 Effect of crosslinking time on breaking strength of collagen fibers

2.3 表面形貌

从图3可以看出：随着交联时间的变化，胶原纤维的表面形貌发生了变化，在交联前10 min内，纤维表面都相对比较平滑；当交联时间为20 min时，纤维表面光滑且呈现一定的原纤化结构，这可能是因为胶原分子从高长径比的喷丝孔喷出时受较大的剪切力发生一定的取向，以及交联剂戊二醛分子使胶原蛋白发生了一定的分子内和分子间交联，从而稳定了胶原三股螺旋结构和其沿纤维轴的取向；而交联20～50 min时，胶原纤维表面开始变得粗糙，这是因为过多的戊二醛分子在纤维表面(和内部)发生了聚合反应所致。

图3 胶原纤维试样表面SEM照片Fig.3 Surface SEM images of collagen fibers

2.4 吸水性能

未交联改性的胶原纤维抗水性差，放入水中一段时间后，整体溶胀严重并且不能取出称重。从图4可知：经交联改性以后，胶原纤维的抗水性明显提高，在水中能维持原有的形貌，并且未发生明显的溶胀现象；随着交联时间的增加，S减小，并且在20 min后趋于稳定，这是因为胶原中含有大量的游离羟基和氨基，随着交联时间增加，戊二醛的醛基与胶原中的氨基反应[11-12]，使氨基数量减少，提高其疏水性，S降低；而20 min后S趋于稳定，说明交联反应已经接近终点，进一步交联后S未有明显的变化。

图4 交联时间对胶原纤维S的影响Fig.4 Effect of crosslinking time on S of collagen fibers

2.5 热稳定性能

从图5可以看出，交联改性与未交联的胶原纤维的降解皆分为3个阶段：第一阶段的失重主要是胶原纤维中的吸附水和结合水的挥发造成的；第二和第三阶段的失重主要是由于胶原长链断裂成短链以及短链进一步分解成小分子而造成的。在此主要考虑第二和第三阶段失重的起始分解温度，分别标记为T1，T2。从表1可看出，在交联后T1至少提高了12.6 ℃，而T2至少提高了48.6 ℃，胶原的热稳定性得到了显著提高。这主要是由于戊二醛与相同或者不同的分子的氨基反应并且以五元环的方式连接起来[11-12]，使胶原的三股螺旋结构更加稳定，从而提高了胶原的热稳定性。

图5 胶原纤维试样的TG曲线Fig.5 TG curves of collagen fibers

表1 胶原纤维试样的T1和T2Tab.1 T1and T2of collagen fibers

3 结论

a.采用戊二醛交联改性胶原纤维，能有效提高胶原纤维的断裂强度，交联20 min，断裂强度达最大值0.88 cN/dtex，与未交联胶原纤维相比提高了15.8%。

b.经交联改性后，胶原纤维抗水性明显提高，S随交联时间的增加而减小，同时增强了胶原三股螺旋结构的稳定性和热稳定性。

c.戊二醛对胶原纤维的交联反应存在单点和双点结合，20 min后交联反应接近终点，戊二醛在胶原表面可能发生缩合反应。

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Structure and properties of rat tail tendon type I collagen fiber crosslinked with glutaraldehyde

Zhang Jicai,Ding Changkun,Yang Ning,Jia Ti,Cheng Bowen

(TianjinMunicipalKeyLaboratoryofFiberModificationandFunctionalFiber,SchoolofMaterialScienceandEngineering,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387)

A collagen fiber prepared from self-made rat tail tendon type I collagen via wet spinning process was exposed to crosslinking modification in glutaraldehyde steam.The structure and properties of the unmodified and modified fibers were characterized.The results showed that the breaking strength of the collagen fiber was improved after glutaraldehyde crosslinking modification,15.8% higher than that of unmodified collagen fiber due to 20-minute crosslinking treatment; the water resistance of the crosslinked modified collagen fiber was markedly increased and the water absorption was greatly decreased and tended to be stable after 20-minute crosslinking treatment; and the stability of the helical structure and the thermal stability of the crosslinked modified collagen fiber were both enhanced due to the chemical reaction of glutaraldehyde on the surface of collagen fiber.

collagen fiber; glutaraldehyde; crosslinking modification; mechanical properties; thermal stability; water absorption

2015- 08-31； 修改稿收到日期：2016- 01-28。

张积财(1990—)，男，硕士研究生，主要从事胶原基纤维材料的研究与开发。E-mail：zhangjc9005@163.com。

天津市应用基础与前沿技术研究计划(天津市自然科学基金)项目(13JCQNJC02700)。

TQ341+.5

A

1001- 0041(2016)02- 0026- 04

*通讯联系人。E-mail：dingchangkun@tjpu.edu.cn。