胶原纤维的物理交联改性及性能研究

雷枋喜

（上饶幼儿师范高等专科学校，江西 上饶 334000）

天然胶原蛋白在分子间通过疏水力、氢键、静电力的作用自组装形成纤维状聚集体，具有良好的力学性能，能在动物体内或者器官中存在，并且保护动物的器官和组织。提取小鼠尾巴的肌肉蛋白，得到了具有良好抗原性、相容性和生物降解功能的实验原材料。相比于其优秀的性能，再造纤维呈现出力学性能不足、缺少热稳定性并且无法在实际中广泛应用的缺点。由基本的生物知识可知，胶原纤维最大的特点就是具有优良的稳定性和热学性能，但是如果想要升华这一特点，就要通过一定的物理处理对胶原纤维进行改性。目前，实验室常见的处理方法是物理交联，不使用一般的生物试剂，大多通过严重脱水（Dehydratherma，DHT）和紫外线（Ultraviolet，UV）辐射完成。DHT交联通过形成酯和酰胺基团提高胶原蛋白的性能。UV照射后，邻近的胶原分子中产生离子，胶原分子之间形成交联。因此，UV交联是比脱水交联更快、更有效的交联方法。然而，这两种方法会导致胶原α链的一小部分裂解和变性。

1 实验

1.1 实验材料与方法

选取小鼠尾巴肌腱的优质胶原蛋白，使用酶解法进行实验。

1.2 实验设备和仪器

采用实验室自制的干湿纺丝设备。

1.3 胶原初生纤维的制备与交联

1.3.1 制备胶原初生纤维

将小鼠尾巴肌腱胶原蛋白放入醋酸中，使用机械搅拌器充分搅拌溶液，整个过程控制在6 h之内，并且变性温度不宜超过4 ℃，目的是降低胶原纤维变性的可能性。然后，在4 ℃条件下进行冷冻脱泡，得到纤维原液。使用范式分裂方法处理已经制备好的纤维原液，将纤维置于注射泵中浸泡2 h后与凝固液分离，并置于5 G砝码下悬挂，得到自然风干的胶原初生纤维，标记为试样1。

1.3.2 DHT交联

使用真空干燥箱干燥初生纤维，交联时间为12 h，设置不同的温度，得到理想的DHT纤维，然后对不同温度下获得的脱水纤维进行力学性能与热学稳定性测试，找到最佳交联温度。确定时间和温度后，对胶原纤维施加不同大小的作用力，得到的纤维标记为试样2。

1.3.3 UV交联

用UV照射初生纤维，设置不同的时间梯度，对初生纤维进行热学稳定性和力学性能测试，找到最佳的UV交联时间。在最佳交联时间条件下，向初生纤维施加不同大小的作用力，得到的胶原纤维标记为试样3。

2 实验结果与讨论

2.1 优化脱水交联工艺

交联工艺可以使相邻氨基酸侧链的羧基和氨基之间发生缩合反应，达到真正的脱水效果。酯键和酰胺键在胶原蛋白中发生分子间交联，可明显改善胶原纤维的机械性能。在真空条件下，使胶原纤维脱水的过程包括胶原的变性反应，而交联反应是胶原蛋白的主要反应，变性反应是辅助反应，因为合适的交联温度能得到合适的脱水率。

根据力学性能的测试结果，胶原纤维可以达到的断裂强度随着交联温度的升高先升后降，在120 ℃下，交联脱水工艺可以使纤维的断裂强度高达1.56 cN/dtex。随着温度逐渐升高到130 ℃，纤维的断裂强度急剧降低，低于试样1，这说明110 ℃是最佳脱水交联温度。根据实验结果，胶原纤维的脱水交联过程不是静止的，而是一个动态过程。在120 ℃的处理温度下，对纤维的处理时间从16 h延长到24 h和48 h。当交联时间为24 h时，胶原纤维的断裂强度接近1.78 cN/dtex，拉伸伸长率为22.0%。断裂强度和拉伸伸长率分别提高了4.0%和6.0%[1]。然而，当交联时间为36～48 h时，断裂强度开始变化，并且出现下降趋势。这是因为随着交联时间的延长，纤维被过度加热导致变性。一般而言，纤维的热拉伸往往使胶原纤维的内部分子结构得到合理的改变，所以，胶原纤维被过度加热时会脱水，进行分子内结合，形成新的化学键，导致胶原纤维分子不断重新排列组合。因此，在脱水交联过程中，对纤维施加纵向拉伸作用力能使交联的纤维达到更高层次的分子有序性。

2.2 优化UV照射交联工艺

UV照射可以使胶原分子重新组合，因为紫外线会作用于胶原蛋白质内的氨基酸，在氨基酸的残基间形成两两成对的电子。在UV照射下，互相靠近的胶原纤维分子之间形成错综复杂的组合关系，提高了胶原纤维的力学性能。其中的反应机理应该是胶原纤维本身的带电残基与其他具有极性的胶原分子之间进行两两反应，利用胶原分子间的来回运动提高胶原纤维的机械性能。

随着UV照射时间的延长，胶原纤维本身的机械性能也开始慢慢变化，并且出现上升的趋势。在UV下照射8 h时，胶原纤维的机械性能达到最高值，为3.72 cN/dtex，远高于试样1。在UV下照射10 h，胶原纤维的断裂强度和拉伸伸长率都开始逐渐降低。这是因为胶原纤维在长时间的UV照射下发生了一定程度的变性。由实验设计可知，用UV照射纤维前，要施加0.35 cN/dtex的拉伸作用力，在此条件下，胶原纤维的拉伸伸长率高于无应力纤维[2]。但是，断裂强度没有出现明显的变化。当拉伸作用力为0.25 cN/dtex时，胶原纤维的断裂强度和拉伸伸长率都明显降低。可见，上述UV照射交联处理方法不充分，因为纤维不能均匀地暴露在UV下。这表明，在UV交联过程中施加一定的拉伸作用力对胶原纤维的力学性能与热学稳定性的影响不大[3]。在以后的工艺优化过程中，要研究不同拉伸作用力的影响，可将拉伸应力设为0.15 cN/dtex，交联时间设为8 h，UV照射交联的胶原纤维标记为试样3。

3 结语

由实验结果可知，DHT交联后，胶原纤维内部的微纤维结构更加紧密，UV交联主要存在于纤维表面。经过DHT或UV交联后，纤维的各项稳定性都大大提高。在合适的拉伸应力下，DHT或UV交联纤维的热变性温度高于新胶原纤维。因此，使用物理方法进行交联可以显著提高胶原纤维的拉伸断裂强度。对于DHT交联，在120 ℃下交联24 h时，应该对纤维施加0.15 cN/dtex的拉伸作用力，所得纤维的断裂强度能达到2.37 cN/dtex。此外，拉伸作用力本身对UV照射下的交联纤维机械性能影响不大。所以，使用物理处理方法时，合适的拉伸作用力和脱水处理能显著提高纤维的力学性能和热学稳定性。