一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法，先制备乙烯基胶原蛋白溶液；在一定浓度的光引发剂存在下，将乙烯基胶原蛋白溶液置于紫外光照下，经数小时辐照交联成膜，所得的膜不溶于水，且强度较大。本发明对胶原蛋白进行乙烯基改性，经过引发剂引发紫外交联后，乙烯基胶原蛋白有致密的网状结构。改善了胶原蛋白膜的力学性能，成功的解决了胶原蛋白膜力学性能不足的问题。该工艺简单，所需原料较少，具有良好的经济效益和社会应用价值。
【专利说明】
一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方 法。
【背景技术】
[0002] 胶原蛋白富含于动物的皮、软骨、韧带、肌腱及其它结缔组织中，国内有极其丰富 的资源。由于我国大部分的皮资源均以制革等形式加以利用，利用率极低，而产生的皮革固 体废弃物如不加以回收利用，则不仅会占用场地、污染环境，而且也是对胶原蛋白资源的极 大浪费。近20年来，随着分子生物学的发展，人们对胶原性质的认识已越来越深入，其应用 领域也更为广泛。
[0003] 对于胶原蛋白膜，国内和国外的成型方法有很多种。国内的大部分研究都采用浇 铸成膜的方法，而国外则较多采用机械挤出的方法。马春辉等研究认为，较为理想的制备胶 原蛋白膜的工艺条件为:配制4.5 %的胶原蛋白溶-依次加入0.4%淀粉、0.25%戊二醛、 0.25%增塑剂增稠-真空脱气-涂布于光滑玻璃板上-干燥-揭膜。罗爱平等认为，用甘 油、氯化钙作交联剂对于增强胶原蛋白膜的柔韧性、机械性能更佳，制膜工艺为：12%胶原 蛋白溶液-热处理(70~l〇〇°C，15min)-加入甘油、|丐交联剂-溶解、混合-过滤-增稠- 真空脱气-涂布-烘干(60~70°C，5h)-叠加类脂层-再干燥-揭膜-乙醇溶液挥发处理 -自然干燥。国外与国内的成形方法则显著不同，其操作要点为:酸溶胀真皮层-研磨成浆 料-过滤、均化-挤出-凝聚-鞣制-增塑-干燥-成膜。这种方法虽然赋予了胶原蛋白 膜机械强度，但同时这种优良机械强度的胶原蛋白膜制备过程相对复杂，其中需要设备也 较多。卢黄华等人用草鱼的鱼鳞中提取胶原蛋白，采用浇注成膜法制作胶原蛋白膜，具体实 施步骤为:将鱼鳞胶原蛋白制成2%胶原蛋白水溶液和2%壳聚糖(脱乙酰度不小于90.0 % ) 水溶液按不同质量比混合均匀，同时调节成膜条件，在冷冻高速离心机中800r/min高速搅 拌lOmin。采用倾注法将配制好并经过真空脱气的成膜液水平放置于塑料圆盘中，经古风干 燥后接膜即为样品，样品置于干燥器中保存备用。其试验验证得到：在成膜温度为45°C，pH 为5、胶原蛋白与壳聚糖的配比6:4时所制备的鱼鳞胶胶原蛋白膜性能最好，抗张强度 61.27MPa，断裂伸长率为5.17%。而本发明中运用简单的方法，用量较少的胶原蛋白形成断 裂伸长率在7%左右的胶原蛋白膜。形成了机械性能较好的乙烯基胶原蛋白膜，使得碳碳双 键接枝在胶原蛋白的分子链上，进而交联在胶原蛋白表面形成致密的结构。
[0004] 本发明通过紫外光照乙烯基胶原蛋白成膜，成功地制备一种机械性能优异的胶原 蛋白膜，该工艺简单、对环境无害，具有较好的经济效益和社会效益。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法，解决了现有胶原蛋 白膜的制备工艺复杂，以及制得的胶原蛋白膜物理机械性能差的问题。
[0006] 本发明所采用的技术方案为，一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法，具体按照 以下步骤实施：
[0007] 步骤1，制备乙烯基胶原蛋白溶液；
[0008] 步骤2,取光引发剂加入到步骤1所得乙烯基胶原蛋白溶液中，在40°C下超声波震 荡30min，混合均勾，备用；
[0009] 步骤3,将步骤2后混合均匀的溶液倒入聚四氟乙烯的模具中，放置在紫外交联仪 中进行光照成膜，晾干后，即得。
[0010] 本发明的特征还在于，
[0011] 步骤1中，乙烯基胶原蛋白溶液的具体制备过程为：
[0012] 步骤1.1:称取胶原蛋白置于磷酸缓冲溶液中，在70°C ± 2°C条件下，搅拌0.5~lh， 使其充分溶解，得胶原蛋白溶液；
[0013]步骤1.2:在50°C温度下水浴条件下将甲基丙烯酸酐滴加到步骤1.1所得胶原蛋白 溶液中，反应3h，透析后，即得。
[0014] 步骤1.1中，胶原蛋白的重均分子质量为145508~181266。
[0015]步骤1.1中，胶原蛋白与磷酸缓冲溶液的质量体积比为1:8~1:12(g/mL)。
[0016] 步骤1.2中，甲基丙烯酸酐的质量浓度为94%，甲基丙烯酸酐与胶原蛋白的质量体 积比为0.1:5~2.4:5(mL/g)，滴加速度为lmL/min。
[0017] 步骤1.2中，透析过程为:将溶液倒入透析袋(截留分子质量为3500D)中，用去离子 水作为透析液，在40°C ± 2°C的温度下，透析24h。
[0018] 步骤1所得的乙烯基胶原蛋白溶液的固含量为5.5%~6.5%。
[0019] 步骤2中，光引发剂为紫外光引发剂Irgacure?2959,光引发剂在乙烯基胶原蛋白 溶液中的浓度为〇. 0005 %~0.05 %。
[0020] 步骤3中，成膜条件为在波长为365nm紫外光下辐照1~7h交联成膜。
[0021] 本发明的有益效果是，对胶原蛋白进行乙烯基改性，经过引发剂引发紫外交联后， 乙烯基胶原蛋白有致密的网状结构。改善了胶原蛋白膜的力学性能，成功的解决了胶原蛋 白膜力学性能不足的问题。该工艺简单，所需原料较少，具有良好的经济效益和社会应用价 值。
【附图说明】
[0022]图1为本发明一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法所得胶原蛋白膜的SEM图；
[0023]图2为未经紫外辐射交联所得胶原蛋白膜的SEM图；
[0024]图3为本发明一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法所得胶原蛋白膜与未经紫外 辐射交联所得胶原蛋白膜的红外谱图对比；
[0025] 图4为本发明一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法实施例1所得胶原蛋白膜的 ESEM 图；
[0026] 图5为本发明一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法实施例2所得胶原蛋白膜的 ESEM 图；
[0027] 图6为本发明一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法实施例3所得胶原蛋白膜的 ESEM 图；
[0028] 图7为本发明一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法实施例4所得胶原蛋白膜的 ESEM 图；
[0029] 图8为本发明一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法实施例5所得胶原蛋白膜的 ESEM 图；
[0030] 图9为本发明一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法实施例6所得胶原蛋白膜的 ESEM 图；
[0031] 图10为本发明一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备中乙烯基胶原蛋白的取代度对 所得胶原蛋白膜抗张强度和断裂伸长率的影响关系图；
[0032] 图11为本发明一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备中乙烯基胶原蛋白的取代度对 所得胶原蛋白膜溶胀度的影响关系图；
[0033] 图12为本发明一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备中乙烯基胶原蛋白的取代度对 所得胶原蛋白膜失重率的影响关系图；
[0034]图13为本发明一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备中紫外辐照时间对所得胶原蛋 白膜抗张强度和断裂伸长率的影响关系图；
[0035]图14为本发明一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备中紫外辐照时间对所得胶原蛋 白膜溶胀度的影响关系图；
[0036]图15为本发明一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备中紫外辐照时间对所得胶原蛋 白膜失重率的影响关系图；
[0037]图16为本发明一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备中引发剂浓度对所得胶原蛋白 膜溶胀度的影响关系图；
[0038]图17为本发明一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备中引发剂浓度对所得胶原蛋白 膜失重率的影响关系图。
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0040]本发明为一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法，具体按照以下步骤实施：
[0041 ] 步骤1，称取胶原蛋白（重均分子质量为145508~181266)置于磷酸缓冲溶液中，在 70°C±2°C条件下，搅拌0.5~lh，使其充分溶解，得胶原蛋白溶液;在50°C温度下水浴条件 下将甲基丙烯酸酐滴加到胶原蛋白溶液中，甲基丙烯酸酐与胶原蛋白的质量体积比为〇. 1: 5~2.4:5(mL/g)搅拌3h，对胶原蛋白透析处理，得不同取代度的乙烯基胶原蛋白（CMA)溶 液。
[0042]步骤2,称取光引发剂加入到步骤1所得乙烯基胶原蛋白溶液中，在40°C下超声波 震荡30min，混合均匀，备用；其中，光引发剂的浓度为0.0005%~0.05%;光引发剂为紫外 光引发剂 Irgacure?2959。
[0043]步骤3,将步骤2混合均匀的溶液倒入聚四氟乙烯的模具中，放置在紫外交联仪中， 在波长为365nm紫外光进行光照1~7h交联成膜，取出自然晾干，得CMA膜。
[0044]以下从原理方面对本发明进行说明：
[0045] 1)乙烯基胶原蛋白的制备
[0046]胶原蛋白与磷酸缓冲溶液的质量体积比为1:8~1:12(g/mL)，置于70°C ±2°C温度 下搅拌0.5~lh。其中，磷酸缓冲溶液的pH为7.4,主要目的是将胶原蛋白充分溶解，提供相 对稳定的pH环境。
[0047]甲基丙烯酸酐在加热的条件下可以和胶原蛋白中的赖氨酸残基中伯氨-NH2发生 反应生成酰胺键，使甲基丙烯酸酐中的C = C引入到胶原蛋白结构中。在反应过程中磷酸缓 冲溶液主要是用来溶解胶原蛋白，提供一个相对温和的反应环境。甲基丙烯酸酐用量的多 少直接关系到接枝后C = C双键数目的多少，甲基丙烯酸酐用量太少，在胶原蛋白表面接枝 形成的C = C双键数目就少，不会再胶原蛋白间形成交联作用。一般情况下反应时间和反应 温度之间是有交互作用的，温度高分子运动加快，反应效率提升，反应时间缩短;温度低分 子运动减慢，反应效率降低，反应时间增长。
[0048] 2)乙烯基胶原蛋白膜的制备原理如下式所示，乙烯基胶原蛋白分子链上的C = C分 别经过链引发、链增长和链终止三个阶段交联成膜。
[0049] (1)链引发 L，J」 玲 II：
[0054]
[0055] 实施例1
[0056] 步骤1，称取分子质量为181266的胶原蛋白5.0g，置于50mL磷酸缓冲溶液(pH 7.4) 中，70°C下搅拌0.5h，使其充分溶解，得胶原蛋白溶液;待其温度降至稳定时，在50°C温度下 水浴条件下将O.lmL甲基丙烯酸酐以lmL/min速率滴加到胶原蛋白溶液中，反应2h，将改性 后的胶原蛋白溶液置于分子量大小3500D的透析袋中，用去离子水作为透析液，在40°C温度 下透析24h，取出得不同取代度的乙烯基胶原蛋白溶液；
[0057]步骤2，选取光引发剂的在胶原蛋白溶液中的浓度为0.006 %，将光引发剂 (Irgacure?2959 )加于步骤1的乙烯基胶原蛋白溶液中，在40°C下超声波震荡30min，混合 均匀。
[0058]步骤3,将步骤2中混合均匀的胶原蛋白溶液倒入聚四氟乙烯模具中，放置于紫外 交联仪中照射3h，取出后自然晾干，的不同取代度的CMA膜。
[0059] 实施例2~6
[0060] 参见实施例1，与实施例1不同的是，步骤1中，在50°C温度下水浴条件下依次将 0.3mL、0.6mL、1.2mL、1.5mL和1.8mL甲基丙烯酸酐以lmL/min速率滴加到胶原蛋白溶液中。 [0061 ] 实施例7
[0062] 步骤1，称取分子质量为145508的胶原蛋白5.0g，置于50mL磷酸缓冲溶液(pH 7.4) 中，70°C下搅拌0.5h，使其充分溶解，得胶原蛋白溶液;待其温度降至稳定时，在50°C温度下 水浴条件下将1.2mL甲基丙烯酸酐以lmL/min速率滴加到胶原蛋白溶液中，反应2h，将改性 后的胶原蛋白溶液置于分子量大小3500D的透析袋中，用去离子水作为透析液，在40°C温度 下透析24h，取出得取代度为73 %的乙烯基胶原蛋白溶液；
[0063]步骤2，选取光引发剂的在胶原蛋白溶液中的浓度为0.006 %，将光引发剂 (Irgacure?2:959 )加于步骤1的乙烯基胶原蛋白溶液中，在4〇°C下超声波震荡3〇min，混合 均匀。
[0064] 步骤3,将步骤2中混合均匀的胶原蛋白溶液倒入聚四氟乙烯模具中，放置于紫外 交联仪中，在波长为365nm紫外光照射lh，取出后自然晾干，得CMA膜。
[0065] 实施例8~13
[0066]参见实施例7,与实施例7不同的是，步骤3中，放置于紫外交联仪中照射2h，3h，4h， 5h，6h和7h，取出后自然晾干。
[0067] 实施例14
[0068] 步骤1，称取分子质量为160000的胶原蛋白5.0g，置于50mL磷酸缓冲溶液(pH 7.4) 中，70°C下搅拌0.5h，使其充分溶解，得胶原蛋白溶液;待其温度降至稳定时，在50°C温度下 水浴条件下将1.2mL甲基丙烯酸酐以lmL/min速率滴加到胶原蛋白溶液中，反应2h，将改性 后的胶原蛋白溶液置于分子量大小3500D的透析袋中，用去离子水作为透析液，在40°C温度 下透析24h，得取代度为73 %的乙烯基胶原蛋白溶液；
[0069] 步骤2,按照光引发剂在胶原蛋白溶液中的浓度为0.0005%的比例，将光引发剂 (Irgacure⑧2959)加于步骤1的乙烯基胶原蛋白溶液中，在40°C下超声波震荡30min，混合 均匀。
[0070] 步骤3,将步骤2中混合均匀的胶原蛋白溶液倒入聚四氟乙烯模具中，放置于紫外 交联仪中照射3h，取出后自然晾干，得CMA膜。
[0071] 实施例15~21
[0072] 参见实施例14，与实施例14不同的是，步骤2中，光引发剂在胶原蛋白溶液中的浓 度为0.001%，0.005%、0.01%、0.015%、0.02%和0.05%。
[0073]图1为本发明一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法所得胶原蛋白膜的SEM图，图 2未经紫外辐射交联所得胶原蛋白膜的SEM图，从图中可以看出，经过紫外交联后的乙烯基 胶原蛋白（图1)有明显的网孔，有致密的网络结构。证明经过紫外辐照，改性胶原蛋白上的C =C双键发生了聚合反应，并交联规则的致密的网络结构。同时，还对其分别进行了红外光 谱测试，如图3,结果表明：未交联CMA在925CHT 1和955CHT1处有出峰，此峰为RCH3C = CH2结构 中双键碳上氢的面外弯曲振动峰，但这些峰在CMA被紫外引发交联后全部消失，说明在紫外 弓丨发交联反应中C = C参与了反应，证明了 CMA发生了交联。
[0074]此外，本发明对不同取代度下所得胶原蛋白膜的ESEM图进行了对比分析，见图4~ 图9,其取代度依次分别为15% (图4)、50% (图5)、67% (图6)、73% (图7)、79%(图8)、83% (图9)。图中4和5的放大倍数相同（X2000)，而且可以很清楚的看到网络结构，并具有规则 均一大小的网孔，特别是取代度为15%的改性胶原蛋白膜。相比之下取代度为50% (图5)的 改性胶原蛋白膜的网孔很小，交联网络致密，可以看清楚均匀的网孔结构。随着取代度的增 加在较大放大倍数下（X4000)，可以看见改性胶原蛋白膜致密均匀的网络结构。而且随着 取代度的增加，改性胶原蛋白膜的网孔越小，网络结构越致密。
[0075] 进一步对不同取代度的乙烯基胶原蛋白对所得胶原蛋白膜的抗张强度和断裂伸 长率、溶胀度、失重率的影响关系进行了研究，结果表明：随着取代的增加改性胶原蛋白膜 的抗张强度在不断增加，弹性伸长率在不断下降。改性胶原蛋白取代度越大，膜的交联程度 越大，从而引起膜的抗张强度的增加（如图10所示）。随着取代度的增加，胶原蛋白膜在水 中的溶胀度也逐渐减少(见图11)、失重率也逐渐减少(见图12)。
[0076] 此外，本发明中，紫外辐照时间和引发剂浓度也是决定所得胶原蛋白膜性能的关 键因素，其中，紫外辐照时间对所得胶原蛋白膜抗张强度和断裂伸长率、溶胀度以及失重率 的影响关系进行了研究，结果表明：随着辐照时间的延长改性胶原蛋白膜的抗张强度在不 断增加，弹性伸长率在不断下降。当辐照时间在3h~5h时，改性胶原蛋白膜的抗张强度相对 比较大，同时弹性伸长率相对比较小。当辐照时间再继续增加时，改性胶原蛋白的抗张强度 在减小，弹性伸长流程在同时减小(见图13);随着紫外辐照时间的增加，胶原蛋白膜的溶胀 度和失重率在逐渐减小，当紫外辐照时间大于3小时时，胶原蛋白膜的溶胀度和失重率变化 不大(如图14和图15所示）。如图16所示，随着引发剂浓度的增加，胶原蛋白膜在水中的失重 率是呈现先增大后减小的趋势，引发剂浓度在〇. 005%~0.01范围内引发效率最好。图17为 引发剂浓度与改性胶原蛋白膜失重率的变化趋势，由图可以得出，随着引发剂浓度的增加， 胶原蛋白膜在水中的溶胀度先增大后减小的趋势，引发剂浓度在0.005%~0.01 %范围内 引发效率最好。
[0077]本发明一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法，将胶原蛋白进行乙烯基改性，用 紫外光照射胶原蛋白交联反应、成膜，显著提高了胶原蛋白膜的溶胀度、物理机械性能，且 所得的膜不溶于水。
【主权项】
1. 一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施： 步骤1，制备乙烯基胶原蛋白溶液； 步骤2,取光引发剂加入到步骤1所得乙烯基胶原蛋白溶液中，在40°C下超声波震荡 30min，混合均勾，备用； 步骤3,将步骤2后混合均匀的溶液倒入聚四氟乙烯的模具中，放置在紫外交联仪中进 行光照成膜，晾干后，即得。2. 根据权利要求1所述的一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法，其特征在于，步骤1 所得的乙烯基胶原蛋白溶液的固含量为5.5%~6.5%。3. 根据权利要求2所述的一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法，其特征在于，步骤1 中，乙烯基胶原蛋白溶液的具体制备过程为： 步骤1.1:称取胶原蛋白置于磷酸缓冲溶液中，在70°C ± 2°C条件下，搅拌0.5~Ih，使其 充分溶解，得胶原蛋白溶液； 步骤1.2:在50°C温度下水浴条件下将甲基丙烯酸酐滴加到步骤1.1所得胶原蛋白溶液 中，反应3h，透析后，即得。4. 根据权利要求3所述的一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法，其特征在于，步骤 1.1中，胶原蛋白的重均分子质量为145508~181266。5. 根据权利要求4所述的一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法，其特征在于，步骤 1.1中，胶原蛋白与磷酸缓冲溶液的质量体积比为1:8~1:12。6. 根据权利要求3所述的一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法，其特征在于，步骤 1.2中，甲基丙烯酸酐的质量浓度为94%，甲基丙烯酸酐与胶原蛋白的质量体积比为0.1: 5 ~2.4:5，滴加速度为111117/111；[11。7. 根据权利要求6所述的一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法，其特征在于，步骤 1.2中，透析过程为:将溶液倒入透析袋中，用去离子水作为透析液，在40°C ±2°C的温度下， 透析24h。8. 根据权利要求1所述的一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法，其特征在于，步骤2 中，光引发剂为紫外光引发剂Irgacure?2959，光引发剂在乙烯基胶原蛋白溶液中的浓度 为0.0005% ~0.05%〇9. 根据权利要求1所述的一种乙烯基改性胶原蛋白膜的制备方法，其特征在于，步骤3 中，成膜条件为在波长为365nm紫外光下福照1~7h交联成膜。
【文档编号】C08H1/00GK106009011SQ201610393908
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月6日
【发明人】徐娜, 王学川, 任龙芳, 马向东, 石叶叶, 强涛涛
【申请人】陕西科技大学