荧光超支化聚合物（HMEAP）对皮胶原蛋白的改性研究

刘素清，韩昕 ，乔一凡，周裕仙，李静怡，孙淼

（1.山东省皮革工业研究所，山东 济南 250021；2.烟台大学化学化工学院，山东 烟台 264005）

1 引言

目前，皮革工业已经成为我国轻工业的第二大产业，在带来大量外汇收入的同时也造成了一定的环境问题。一方面，在制革鞣制加工过程中，减少铬鞣剂的使用或开发无铬鞣剂成为现代皮革工业迫切需要解决的问题。另一方面，制革行业拥有以胶原蛋白为主的丰富蛋白质资源，开发其在新领域的应用也有利于制革行业的可持续发展。

近年来，超支化聚合物由于其特有的结构性质，得到了极大的关注[1-5]。而具有生物相容性且同时含有非传统生色团的荧光超支化聚合物也已成为了研究热点之一，在生物、医药及组织工程和生物成像等领域都有了较好的应用[6-9]。超支化聚合物具有大量的端基官能团，结构高度支化且呈三维球状，具有低粘度溶解性好分子间无缠结等优点，与传统皮革鞣剂相比其丰富的官能团能够与皮革胶原纤维分子上的端基活性基团发生化学键结合，大幅度提高了与胶原蛋白结合的反应能力，达到对胶原纤维改性的目的[7]。

针对非传统生色团的荧光聚合物的研究多以聚酰胺的树枝状或超支化聚合物展开[10，11]。其反应机理是以1-（2-氨基乙基）哌嗪和二丙烯酸酯进行迈克尔加成反应，合成过程中通过改变反应条件和投料比，调控超支化聚合物末端的伯仲叔胺基团的含量及比例[12，13]。根据对树状聚合物聚酰胺功能团的淬灭实验[12]发现，叔胺是胺基聚合物中的生色团，国内外研究结果表明针对只含有叔胺生色团的超支化聚合物材料的研究还较少。制备含有叔胺生色团的超支化聚合物与胶原蛋白结合，可以在提高胶原蛋白稳定性的同时，开发新型材料，拓展其应用范围。

本论文以AB2型叔胺N-二羟乙基-3-胺甲基丙酸酯为多官能团单体原料，以四丁基钛酸酯为催化剂，通过缩聚反应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进入经过预处理的皮子内，与皮胶原蛋白反应，其大量的活性基团与皮胶原蛋白的侧链上的活性基团相结合，或者积聚在皮革胶原纤维之间、覆盖在皮革纤维的表面，通过交联、缠结或吸附作用形成网格，从而对皮革起到鞣制的作用[14-16]，提高皮胶原的综合性能。由于叔胺基超支化聚合物与胶原蛋白亲和力强，毒性小，改性后胶原蛋白在新材料、生物医药方面将具有广阔的应用前景。

2 实验部分

2.1 实验原料

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

2.2 仪器和表征

1H NMR采用300 MHz核磁共振仪（Bruker DRX-300），用CDCl3或D2O作为溶剂、四甲基硅作内标在室温下进行测试；荧光激发光谱（Perkin-Elmer LS55）测量在室温条件下完成，测试条件：1 mg/mL水溶液，λex=375 nm；以二甲基亚砜为溶剂，线型苯乙烯为标准试样，采用凝胶渗透色谱（GPC）（Waters）测定HMEAPs的分子量及分子量分布。皮革收缩温度采用MSW-YD4型数字式皮革收缩温度测定仪（陕西科技大学阳光电子研究所）测定。皮革增厚率采用威海市量具厂有限公司皮革测厚仪测定。

2.3 超支化聚合物缩聚单体N，N-二羟乙基-3-胺丙酸甲酯（MBAP）及叔胺超支化聚合物（HMEAP）的合成[17]

图2 水溶性超支化聚合物HMEAP的合成

在50 mL两颈圆底烧瓶中加入0.1 mol二乙醇胺和0.102 mol丙烯酸甲酯，并与10 mL甲醇相溶，在氮气保护下，于室温搅拌30分钟后，升温至35℃，继续反应4小时。反应结束后，冷却至室温，真空抽出低沸点杂质，得到无色油状单体产物MBAP（合成路线见图1），产率约为98.5%。核磁结果表明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—）。

图1 超支化聚合物缩聚单体MBAP的合成

在25 mL三口烧瓶中加入0.5 mmol四丁基钛酸酯和25 mmol MBAP，在氮气保护下，130℃搅拌反应3小时，然后在真空（250毫米汞柱）条件下继续反应30分钟。冷却到室温，再加入0.25 mmol Ti(OBu)4升温至130℃后在高真空（10毫米汞柱）下搅拌，通过改变反应时间1、3、5和10小时，得到系列不同分子量的叔胺超支化聚合物HMBAP1、HMBAP3、HMBAP5、HMBAP10。将产物溶于10 mL甲醇中，过滤后在乙醚中沉淀，真空抽滤除去低沸点杂质。

2.4 HMBAP对胶原蛋白的改性

将酸皮称重，液比200%，配置一定pH的缓冲溶液，浸泡30 min，加入一定质量的超支化聚合物HMBAPs，在一定温度下鞣制一定时间，然后取出皮子测其厚度及收缩温度。分别考察HMBAPs分子量、体系pH、超支化聚合物用量、鞣制时间、鞣制温度对其改性胶原蛋白的影响。

3 结果与讨论

3.1 叔氨基超支化聚合物HMBAPs的表征

将系列分子量HMBAPs GPC结果列于表1，其重均分子量分布从9600～20070，由叔胺超支化聚合物HMBAPs的荧光光谱图中（图3）可以看出，其荧光的相对强度随分子量的增加而增加[18]。这是因为荧光强度与荧光基团的碰撞松弛速率和淬灭有很大关系[19]，一般情况下分子量越小，超支化聚合物分子链活动性越好[20]，碰撞松弛速率越大，导致分子荧光性能减弱。

表1 系列分子量HMBAPs GPC结果

图3 系列分子量HMBAPs的荧光光谱

3.2 不同分子量超支化聚合物HMBAPs对鞣制效果的影响

在与皮胶原作用的过程中，高分子材料的分子量对鞣制效果影响较大，图4是系列分子量HMBAPs鞣制后皮革的增厚率及收缩温度的变化结果。从图中可以看出随着分子量增加，增厚率和收缩温度均呈现增加的趋势。这是因为超支化聚合物的分子量越大，分子中的活性基团越多，能够与胶原蛋白反应的活性位点数量增加，导致鞣制后收缩温度增加。增厚率反映了高分子进入胶原蛋白后对皮胶原纤维的填充程度，大分子能够更好地填充胶原纤维间隙，能够有较好的填充效果。但是随着分子量进一步增加，HMBAP10的鞣后增厚率和收缩温度增加值略有降低，这可能是因为分子量过大导致其渗透性能降低，影响了其与胶原蛋白的结合，因此根据实验结果选择HMBAP5，并进一步优化其与胶原作用的条件。

图4 不同分子量HMBAPs对鞣制效果的影响（鞣制pH为5、聚合物用量4%、改性时间4 h、反应温度25℃）

3.3 不同pH对胶原蛋白改性效果的影响

图5是pH对HMBAP5鞣制后收缩温度及增厚率的影响结果，由图可以看出，一开始收缩温度、增厚率随着pH的升高而升高，在pH为5～6时收缩温度增加量及增厚率达到最大值，继而减小。这是由于超支化聚合物在溶液中的尺寸受溶液的pH影响，有研究表明，溶液的pH发生改变后，超支化聚合物的树形分子在溶液中的尺寸可以增加或减少50%；在弱酸性条件下利于HMBAP5向皮内渗透，但pH过低会影响皮胶原纤维的结构强度，也不利于胶原的改性；但若pH过高，鞣液中配合物分子太大不利于渗透结合[21]。因此，综合考虑选择最佳pH为5～6。

图5 pH对HMBAP5鞣制后皮革收缩温度及增厚率的影响（聚合物用量4%、改性时间4 h、反应温度25℃）

3.4 聚合物用量对胶原蛋白改性效果的影响

图6是不同聚合物用量对改性后胶原蛋白收缩温度及增厚率的影响结果，由图可以看出，在HMBAP5用量为6%时，增厚率和收缩温度增加量均达到最大值，且随着其用量的进一步增大没有明显升高。当超支化聚合物用量太少时，鞣制的效果不太明显，当用量超过6%时反而增加了成本。因此，综合考虑收缩温度、增厚率和经济效益，选择最佳聚合物用量为6%。

图6 HMBAP5用量对鞣制后皮革收缩温度及增厚率的影响（鞣制pH为5、改性时间4 h、反应温度25℃）

3.5 改性时间对胶原蛋白改性效果的影响

图7是鞣制时间对胶原蛋白收缩温度及增厚率的影响结果，从图中可以看出，鞣制开始时收缩温和增厚率随着反应时间的增大而增加，但反应时间达到4 h之后增厚率和收缩温度没有明显升高。这是因为随着时间的增加，超支化聚合物的分子不断渗入生皮内，其端基与皮胶原侧链上的活性基团结合增多，对胶原的改性效果越来越明显，从而使收缩温度和增厚率逐渐增加；当反应到达4 h后，其与胶原的结合基本完成，再延长时间已没有意义，由此选择最佳反应时间为4 h。

图7 鞣制时间对HMBAP5鞣制后皮革收缩温度及增厚率的影响（鞣制pH为5、聚合物用量6%、反应温度25℃）

3.6 反应温度对胶原蛋白改性效果的影响

图8是不同反应温度对改性后胶原蛋白收缩温度及增厚率的影响结果，由图可以看出，一开始收缩温度随着反应温度的增大而升高，但35℃之后随着反应温度的增大收缩温度升高不明显；增厚率随着反应温度的增长而增加，但之后没有明显增加。当温度升高时，聚合物向皮内渗透的速率增大，与皮胶原结合的速度及结合量都会增加，然而当温度过高时会对皮革粒面造成影响，使粒面粗糙。综合考虑，选择最佳反应温度为25～35℃。

图8 鞣制温度对HMBAP5鞣制后皮革收缩温度及增厚率的影响（鞣制pH为5、聚合物用量6%、反应时间4 h）

4 结论

通过缩聚法制备了不同分子量的荧光超支化聚合物（HMEAPs），并探索了其对皮胶原蛋白的改性条件，实验结果表明，当HMEAP重均分子量约为17000，其鞣制效果最佳，与胶原蛋白作用条件为pH为5～6，聚合物用量约为6%，最佳反应温度为25～35℃，反应时间为4h。实验结果表明，HMEAP鞣制后皮革收缩温度可提高22.1℃，增厚率可达到35.6%。由于HMEAP具有低毒性及优良的生物相容性，改性后胶原蛋白在生物医药方面具有广阔的应用前景。