Fe3+-单宁酸络合物涂层对胶原纤维膜性能的影响

王鸿雁，马云昊，王稳航*

（1.武威市食品检验检测中心，甘肃 武威 733000；2.天津科技大学食品科学与工程学院，天津 300457）

近年来，胶原纤维作为石油材料的替代品，由于其优异的机械性能，良好的生物相容性、可降解性等引起了研究人员的广泛关注。同时也出现了许多对胶原纤维材料进行改性的方法，例如交联[1]、引入外源物质[2]、进行表面涂层[3]等。其中，在材料表面添加涂层是增强材料特性或者赋予材料新的性能的一种简单、有效的方法，Góes等[4]利用浸泡法在胶原膜表面涂覆磷灰石，极大地扩展了胶原膜的应用。

最近研究人员发现海洋生物贻贝能够分泌特殊的黏附物质，使其能够牢固地吸附在各种固体表面[5]。根据这一现象，研究人员发现金属与苯酚基团可形成络合物即金属-酚醛网络可以牢固的黏附于物体表面作为涂层以改性或增强材料性能[5]。这种配位自组装过程可以在有机、无机平面上进行，组装过程简单、成本低、反应快速，具有pH值响应性且细胞毒性低[6]。因此，这种配位网络结构在生物、医疗、食品等领域具有较高的研究价值。

单宁酸（tannic acid，TA）是一种高分子量的水溶性多酚[7]，其具有独特的结构特性，可以通过静电相互作用、氢键和疏水相互作用等多种反应途径促进其与各种材料的相互作用，被广泛用于生物材料的改性[8]。与其他多酚一样，金属螯合作用是TA的一个显著特征，含有没食子酰基的单宁酸可以与Fe3+形成高度稳定的络合物[9]。近年来以TA为基础构建的金属―酚醛网络也逐渐引起人们关注。Rahim等[9]利用Fe3+与TA可以形成络合物的原理，利用多步自组装的方法制备了稳定的Fe3+-TA微胶囊。据Dong等[10]的研究，在聚酰胺薄膜表面涂覆Fe3+-TA络合网络可以调整薄膜表面的物理化学作用，改善薄膜的亲水性、抗污性。

尽管目前越来越多的人开始关注金属―酚醛网络对材料的改性及增强作用，但是很少有人将其构建于生物大分子材料的表面，研究其对生物大分子材料的影响。据此原理，本文将Fe3+-TA络合物涂布于胶原纤维膜表面，形成一种新型的层次结构，探究其对胶原纤维膜性能的影响。因此，本试验将制备并将其涂布于纳米胶原纤维膜表面，研究其与胶原纤维之间的相互作用并探究其对胶原纤维膜性能的影响。本试验利用傅里叶变化红外光谱研究了Fe3+-TA涂层与胶原纤维膜之间的相互作用，测定了膜的亲水性，阻光性能，杨氏模量、拉伸强度、断裂功等机械性能来评估Fe3+-TA络合物涂层对胶原纤维膜性能的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

酸溶胀胶原纤维：淄博黄河龙生物工程有限公司；氯化铁（分析纯）、氢氧化钠（分析纯）：天津市江天化工技术有限公司；单宁（分析纯）：天津西玛试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

分析天平（TG328A）：上海天平仪器厂；手持测厚仪（Q/ILBN2—2006CH-1）：上海六菱仪器厂；傅里叶变换红外光谱仪（VECTOR 22）：布鲁克仪器有限公司；酸度计（PH-3CW）：上海理达仪器厂；扫描电子显微镜（SU 1510）：日本日立公司；质构仪（TA.XT.Plus）：英国Stable Micro System；紫外可见近红外分光光度计（UV 3600 Plus）：日本岛津公司；水接触角测定仪（PGX）：瑞典FIBRO SYSTEM.AB公司。

1.3 试验方法

1.3.1 具有Fe3+-单宁酸络合物溶液制备

称取适量FeCl3、单宁酸粉末，调整Fe3+与单宁酸的摩尔比分别为 1∶1（1Fe-TA）、1∶2（2Fe-TA）、1∶3（3Fe-TA）。将单宁酸与FeCl3粉末混合均匀后充分溶解在蒸馏水中，得到Fe3+-TA络合物溶液。

1.3.2 具有Fe3+-单宁酸络合物涂层胶原纤维膜的制备

按照Ma等[11]的方法，将酸溶胀胶原纤维团用去离子水配制成1%（质量百分数）的悬浮液，用高压均质机研磨成纳米尺寸的胶原纤维悬浮液。用量筒量取处理好的胶原纤维悬浮液120 mL倒在大小为12 cm×12 cm的有机玻璃板上，在空气中自然干燥后，将其从有机玻璃板上轻轻取下。将干燥的胶原纤维膜浸于Fe3+与单宁酸不同比例的络合物溶液中，浸泡5 min后取出，在空气中自然干燥。浸泡次数分别为1次（1Fe-TA-1，2Fe-TA-1，3Fe-TA-1）、2 次 （1Fe-TA-2，2Fe-TA-2，3Fe-TA-2）和 3 次（1Fe-TA-3，2Fe-TA-3，3Fe-TA-3），得到具有1～3浸涂层数Fe3+-单宁酸络合物的胶原纤维复合膜。

1.3.3 薄膜的微观结构观察

将薄膜裁剪为5 mm×5 mm大小，用导电胶粘在样品台上，将薄膜样品喷金后，置于扫描电镜下观察薄膜的表面和横截面，加速电压为3.0 kV，放大倍数为1 500倍。

1.3.4 薄膜的红外光谱

在室温（25℃）下，利用红外光谱仪的ATR模式对薄膜样品进行测定。将薄膜裁剪成2 cm×2 cm大小，折叠两次，将折叠好的薄膜放于红外光谱仪ATR探头下方进行测定。通过对4 000 cm-1～400 cm-1范围内的每个样品进行32次扫描，获得红外光谱图像。扫描分辨率为4 cm-1，每个样品的扫描频率为1 Hz。

1.3.5 薄膜的光透过性分析

根据Masoumeh等[12]的方法对薄膜的光透过性进行测定。将薄膜裁剪成5.0 cm×3.0 cm片状，将薄膜夹在样品夹上，利用紫外可见光分光光度计测定薄膜在波长600 nm纳米处的光透过率T600，用式（1）计算薄膜的光透性值（TV），根据式（1），光透性值越大，表示薄膜的阻光性能越好。

式中：T600为薄膜在波长600 nm处的光透过率数值，%；x为薄膜的厚度，mm。

1.3.6 薄膜的水接触角分析

通过测定水接触角来确定薄膜表面的亲疏水性。根据Shankar等[13]的方法将薄膜裁剪为4.0 cm×6.0 cm的矩形状，置于水平的平台上，将一滴（约0.4 μL）超纯水滴于薄膜表面，测量水滴两侧的水接触角。每个样品薄膜四周与中间部分共5个测量点，测定薄膜的水接触角，取5个点的平均值为样品的最终结果。

1.3.7 薄膜的机械性能分析

将薄膜样品裁剪成80mm×20 mm大小，使用多功能质构仪的A/TG的探头将样品固定后进行机械性能测定。设定初始夹距为30mm；测试前速度为0.5 mm/s，测试过程中的速度为1 mm/s，测试后速度为10 mm/s。每个样品测定5组平行，取平均值作为最终结果。测试前将薄膜置于25℃，RH为（50±1）%的干燥器里平衡2 d，测试时在室温25℃下进行。计算断裂延伸率（elongation at break，EAB）及拉伸强度（TS）的公式如下。

式中：F为拉伸薄膜样品至断裂时候所用的力，N；x为薄膜的厚度，mm；S为薄膜的宽度，mm；L为断裂时薄膜的长度，mm；L0为薄膜初始时的长度，30 mm。

1.4 统计分析

使用单因素方差分析在显著性水平为0.05的情况下分析数据，数据以平均值±标准差表示。利用数据分析软件SPSS 24.0分析数据。

2 结果与分析

2.1 薄膜的微观结构

图1为具有Fe3+－单宁酸（TA）涂层的胶原纤维膜的表面和截面的电镜观察图。

图1 具有Fe3+-TA涂层的胶原纤维膜的表面（A-J）和截面（a-j）电镜图像Fig.1 Surface（A-J）and cross section（a-j）of collagen fiber membrane with Fe3+-TA complex coating

由图1A～图1J可以看出，没有涂层的薄膜样品具有光滑的表面，而具有涂层的样品表面变得粗糙，且随着Fe3+与单宁酸的比例及涂层数的增加，Fe3+-TA络合物覆盖在膜表面的面积增加。此外，从图1a～图1j可以看出，覆有Fe3+-TA涂层的薄膜横截面的纤维束之间出现了轻微聚集，而没有Fe3+-TA涂层的薄膜样品仍然具有明显的片层结构，同时随着涂层数的增多，薄膜的横截面内部出现孔隙。这是因为制备涂层时将膜浸入从络合物悬浮液中，涂层结束后将膜从悬浮液中取出，结合了水的膜进行了再次的水分蒸发过程，胶原纤维间出现了重组，打乱了胶原纤维原有的均匀分布，而这也会对薄膜的机械性能产生潜在的影响。

2.2 薄膜的红外光谱分析

胶原纤维膜的红外光谱如图2所示。

图2 纯胶原膜及具有Fe3+-TA络合物涂层的胶原膜的表面FTIR光谱图Fig.2 The FTIR spectra of the collagen and Fe3+-TA complex coated collagen films

光谱图中，1 600 cm-1～1 700 cm-1处的酰胺 I带与C=O的拉伸振动有关，1 510 cm-1～1 580 cm-1处的酰胺II带与N-H的面内弯曲及C-N拉伸有关。1 200 cm-1～1 300 cm-1左右处的酰胺III带与C-N振动及N-H面内弯曲振动有关。3 100 cm-1～3 440 cm-1范围的酰胺A带与氢键的拉伸振动有关。从图中可以看出，具有络合物涂层的薄膜在759 cm-1（苯基的C-H面外弯曲振动）以及1 200 cm-1处（多元醇C-O的拉伸振动）[14]出现了TA的特征峰，且随着浸泡次数的增多，特征峰出现了不同程度的增强，而单宁酸在1 615 cm-1处（芳香族C-C的拉伸振动）的特征峰消失。这表明单宁酸与胶原纤维及Fe3+间具有有效的物理或化学相互作用[15]。同时，从图中也可以看出，当薄膜具有Fe3+-TA络合物涂层及随层数的增加，位于酰胺A带的峰变宽。这表明TA的芳香族羟基与胶原蛋白基质之间具有氢键作用[16]，且随着涂层次数的增加，Fe3+-TA络合物逐步吸附于胶原膜表面，这与SEM分析的结果一致。综上，红外结果表明，由于强的氢键作用，Fe3+-TA涂层与胶原膜间具有强烈的相互作用。

2.3 薄膜的光透过性分析

没有Fe3+-TA络合物涂层与含有不同Fe3+-TA络合物涂层的胶原纤维膜在200 nm～800 nm波长的紫外线和可见光透射率见表1。胶原纤维膜的光透过值及水接触角见表2。

表1 胶原纤维膜在不同波长处的透光率Table 1 Light transmission of the collagen fiber films in different wavelengths

在200 nm～280 nm的紫外波长下，具有Fe3+-TA涂层的薄膜样品与对照相比，透光率显著降低。且随着Fe3+-TA涂层层数的增加，此波长下的透光率逐渐降低。而在400 nm～800 nm的可见-近红外光波长下的透光率略有下降。同时，表2中的透明度值结果显示，随着涂层层数的增加，以及Fe3+浓度的升高，与对照膜相比，其具有涂层的薄膜的阻光性能增加到原先的1.7倍～4.27倍。引起这种现象的原因是，Fe3+与TA在胶原纤维膜表面形成了具有良好阻光性能的络合物降低了紫外线对薄膜渗透作用。这些结果表明，具有表面涂层的薄膜可以有效地防止食品系统中因紫外线而引起的脂质氧化。

表2 胶原纤维膜的光透过值及水接触角Table 2 The transparency value and water contact angle of the collagen and collagen/gelatin films

2.4 薄膜的水接触角分析

通过测定水接触角，可以分析具有Fe3+-TA络合物涂层的胶原纤维膜的表面疏水性。水接触角的值越小，表示薄膜表面的亲水性越大。

从表2可以看出，纯胶原纤维膜的水接触角为79.70°，而具有单宁酸涂层的膜与对照相比，其水接触角显著降低，且随着Fe3+-TA涂层数的增加，水接触角的值显著降低，亲水性增强。这是因为单宁酸具有高亲水性，因此形成了具有亲水性的Fe3+-TA络合物。值得注意的是，3Fe-TA-1样品的水接触角值比其他具有Fe3+-TA涂层的薄膜样品大。这是因为单宁酸的没食子酰基和邻苯二酚的羟基提供了吸附水分子的位置[17]，而Fe3+浓度的升高，使其与TA的羟基间形成更多的配位键，从而减少了TA对水分子的吸附，因此随着Fe3+浓度的升高，薄膜的水接触角降低，亲水性增强。

2.5 薄膜的机械性能分析

胶原膜的各项机械性能如表3所示。

从表3中可以看出，膜的弹性模量受涂层的影响不大。而与对照膜相比，具有Fe3+-TA涂层的膜的拉伸强度降低了4.41%～51.9%，断裂延伸率降低了9.0%～50.4%，断裂功降低了15.7%～72.6%，且随着涂层数的增加以上各项机械性能出现显著下降。这表明随着Fe3+-TA络合物涂层的形成，薄膜的机械强度降低而脆性增加。这是可能是因为Fe3+-TA络合物悬浮液作为涂层涂布于薄膜表面上时，胶原蛋白首先吸水溶胀，同时，由于水的存在胶原蛋白可以发生不同程度的移动[18]，之后又经过了脱水收缩过程，使胶原纤维间发生了部分重组，导致胶原纤维分布不均匀，从而产生了在胶原纤维膜内部出现凝结及空隙。这种现象也可以从图1中薄膜的截面电镜图像中观察到：随着表面涂层的形成，薄膜的内部出现了气泡及断层。机械性能的结果表明，Fe3+-TA络合物与胶原纤维膜之间的相互作用不仅没有增强膜的结构，反而由于水的存在，给薄膜的机械性能造成了负面影响。

表3 胶原纤维膜的拉伸强度、断裂延伸率、弹性模量以及断裂功Table 3 The tensile strength，elongation at break，elastic modulus and work to fracture

3 结论

本部分试验制备了具有Fe3+-TA络合物涂层的胶原纤维膜。电镜结果表明，Fe3+-TA络合物均匀的涂布在胶原纤维膜表面且使薄膜表面变得更为粗糙。通过红外分析可知，胶原纤维与Fe3+-TA络合物之间有强氢键相互作用，说明络合物涂层能够与胶原纤维膜紧密结合。而随着Fe3+-TA络合物涂层在薄膜表面的形成，薄膜的亲水性升高，这会使薄膜在实际应用时具有更强的抗油污能力。而随着表面涂层层数的增加以及Fe3+与TA比例的增加，薄膜在波长200 nm～800 nm处的阻光性能逐渐增强，表明具有Fe3+-TA络合物涂层的薄膜能很好的阻止紫外线穿透薄膜。然而具有Fe3+-TA络合物涂层的薄膜的脆性增加，拉伸强度、断裂延伸率、断裂功都出现大幅下降。综上所述，尽管Fe3+-TA络合物能在胶原纤维膜表面形成涂层并与胶原纤维膜产生相互作用，但其对于胶原纤维这种生物大分子薄膜的性能的提升效果十分有限。