膠原/高分子量殼聚糖復(fù)合纖維的制備及其性能

李 倩， 丁長坤， 張 靜， 杜建華， 程博聞

(天津工業(yè)大學(xué) 天津市先進纖維與儲能技術(shù)重點實驗室， 天津 300387)

膠原是一種天然纖維蛋白質(zhì)，占人體或其他動物總蛋白含量的30%左右，廣泛存在于動物皮膚、骨、肌腱、韌帶和角膜等組織中，是動物體內(nèi)含量最豐富的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)。膠原有很多其他合成材料無法比擬的優(yōu)良性能，如低免疫原性，良好的生物相容性、生物可降解性，在燒傷治療、創(chuàng)面止血、藥物載體、可吸收手術(shù)縫合線和化妝品等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用[1-3]，但膠原力學(xué)性能較差，在體內(nèi)降解時受局部因素影響較大，生物可降解性較難調(diào)節(jié)，單獨用于基質(zhì)材料還難以達到理想要求[4]。

殼聚糖是甲殼素脫乙酰基的產(chǎn)物，是自然界唯一的堿性多糖，具有良好的生物相容性，其降解產(chǎn)物安全無毒，并有顯著的抗菌、止血功效[5]。不少研究者發(fā)現(xiàn)，膠原和殼聚糖具有較強的相互作用，將二者復(fù)合可得到不同的生物醫(yī)用材料。最近有研究將膠原和殼聚糖共混來制備海綿[6]，以及研究膠原蛋白-殼聚糖復(fù)合敷料的促愈合效果并評價了其生物安全性[7]。

本文將鼠尾肌腱膠原蛋白與高分子量殼聚糖進行共混，通過濕法紡絲技術(shù)制備膠原/殼聚糖復(fù)合纖維，以期通過高分子量殼聚糖提高膠原纖維的力學(xué)性能，為開發(fā)膠原基可吸收手術(shù)縫合線等高端生物醫(yī)用纖維材料提供理論參考。

1 實驗部分

1.1 原料與試劑

鼠尾肌腱膠原蛋白，實驗室自制；殼聚糖，相對分子質(zhì)量為1.1×106，脫乙酰度為93%，山東省桓臺縣金湖甲殼制品有限公司；冰乙酸、丙酮、氨水，分析純，均來自天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

1.2 實驗儀器

DW-Ⅰ型無級調(diào)速攪拌器，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；TG16-WS型高速離心機，湖南湘儀實驗儀器開發(fā)有限公司；JW-2019HR型高速冷凍離心機，安徽嘉文儀器裝備有限公司；烏氏黏度計，S4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本日立公司；D/MAX-2500型X射線衍射儀，日本理學(xué)公司；TENSOR37型傅里葉變換紅外光譜儀，德國布魯克科技有限公司；LLY-06型電子單纖維強力儀，萊州電子儀器有限公司。

1.3 纖維制備

將質(zhì)量分數(shù)分別為4%和2%的膠原和殼聚糖分別溶解于0.5 mol/L的冰醋酸中，保持溶液溫度在4～6 ℃ 之間，攪拌，溶解時間約8 h。待二者溶解完全后離心脫泡，然后將膠原與殼聚糖按不同質(zhì)量比(9∶1、8∶2、7∶3、6∶4和5∶5)混合，保持溶液溫度在4～6 ℃ 之間，混合溶液攪拌8 h，然后再次離心脫泡得到紡絲液。將丙酮、氨水和去離子水按一定比例配制凝固浴，通過濕法紡絲技術(shù)制備膠原/殼聚糖復(fù)合纖維，并將其懸掛自然風(fēng)干。

1.4 結(jié)構(gòu)表征與性能測試

膠原/殼聚糖相容性測試：將一定濃度的膠原和殼聚糖溶液依次稀釋1～4倍得到不同濃度的溶液，分別采用烏氏黏度計測定其黏度，測試溫度為25 ℃，每個不同濃度的溶液流出時間測量3 次，取其平均值，采用烏氏黏度計測得的數(shù)據(jù)根據(jù)Huggins公式[8]進行計算：

ηsp/c=[η]+bc

b=kH[η]2

(1)

式中：ηsp為增比黏度；c為溶液質(zhì)量濃度，g/dL；[η]為特性黏度，dL/g；b為常數(shù)，表示一定濃度的2種高分子間的相互作用；kH為Huggins參數(shù)，值為0.4。

復(fù)合纖維形貌表征：采用S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合纖維的表面與斷面形貌。測試前對纖維進行干燥、噴金處理，加速電壓為10 kV。

結(jié)晶性能測試：將纖維真空干燥后，采用D/MAX-2500型X射線衍射儀對復(fù)合纖維的結(jié)構(gòu)進行分析，Cu/Kα輻射源，掃描速度為5(°) /min，掃描角度為5°～40°。纖維的結(jié)晶度公式為

(2)

式中：X為結(jié)晶度，%；∑Ic為結(jié)晶峰衍射強度，a.u.；∑Iα為非結(jié)晶峰衍射強度，a.u.。

紅外光譜測試：采用TENSOR37型傅里葉變換紅外光譜儀對纖維進行紅外測試，測試波數(shù)范圍為4 000～400 cm-1，間隔為2 cm-1。

力學(xué)性能測試：采用LLY-06型電子單纖維強力儀測試纖維的力學(xué)性能，夾距長度為10 mm，拉伸速率為10 mm/min，溫度為25 ℃，相對濕度為75%。

2 結(jié)果與討論

2.1 膠原/殼聚糖相容性分析

表1、2示出膠原溶液和殼聚糖液的黏度數(shù)據(jù)。

表1 膠原溶液的黏度數(shù)據(jù)Tab.1 Viscometric data of collagen solution

注：醋酸流出時間t0為38.33 s，ηr=t/t0，ηsp=ηr-1。

表2 殼聚糖溶液的黏度數(shù)據(jù)Tab.2 Viscometric data of chitosan solution

注：醋酸流出時間t0為38.33 s，ηr=t/t0，ηsp=ηr-1。

將2種溶液的ηsp/c對c作圖，結(jié)果如圖1所示。

圖1 溶液質(zhì)量濃度與ηsp/ c關(guān)系圖Fig.1 Relations between concentration and ηsp/c of collagen (a) and chitosan (b) solution

根據(jù)Zhu[9]所描述的方法，膠原/殼聚糖共混體系的b值計算公式為

bm=(b22c22+b33c32+2b23c2c3)/c2

(3)

式中：下角標2表示膠原溶液體系；下角標3表示殼聚糖溶液體系；bm表示一定濃度的膠原和殼聚糖溶液分子間的相互作用，(dL/g)2。

相容性的判定標準為

(4)

式中：若Δb≥0，表示共混體系兩相相容；若Δb<0，表示共混體系兩相不相容。

圖2 不同質(zhì)量比的膠原/殼聚糖復(fù)合纖維表面的SEM照片(×600)Fig.2 Surface SEM images of collagen/chitosan composite fibers (×600)

根據(jù)式(3)、(4)計算，所得數(shù)據(jù)見表3。由表可知：當(dāng)膠原與殼聚糖質(zhì)量比為9∶1、8∶2、7∶3、6∶4和5∶5時，共混體系為相容體系；而當(dāng)二者的質(zhì)量比為4∶6、3∶7、2∶8和1∶9時，共混體系為不相容體系，因此，本文選擇二者相容時的比例制備復(fù)合纖維。

2.2 纖維形貌分析

圖2、3分別為膠原/殼聚糖復(fù)合纖維的表面和斷面掃描電子顯微鏡照片。由圖2可看出：純膠原纖維表面相對粗糙，有明顯的褶皺，這主要是膠原纖維分子柔性較大，在雙擴散成型過程中丙酮脫水導(dǎo)致；隨著殼聚糖含量的增加，復(fù)合纖維表面形成褶皺的程度逐漸減弱，光滑平整性逐漸增強，這主要是因為殼聚糖分子鏈的剛性較強，模量較大；當(dāng)膠原和殼聚糖質(zhì)量比為5∶5時，復(fù)合纖維表面光滑性與純殼聚糖纖維基本相同。

表3 膠原/殼聚糖共混體系的黏度數(shù)據(jù)Tab.3 Viscometric datas of collagen/chitosan blends

注：—表示沒有數(shù)值。

圖3 不同質(zhì)量比的膠原/殼聚糖復(fù)合纖維斷面的SEM照片(×20 000)Fig.3 Cross sectional SEM images of collagen/chitosan composite fibers (×20 000)

從圖3可看出：純膠原纖維的斷面呈現(xiàn)出膠原分子典型的棒狀結(jié)構(gòu)特征，且膠原分子之間應(yīng)該形成了一定程度的自組裝結(jié)構(gòu)[10-12]，即膠原分子在分子間作用力、氫鍵、疏水作用力等綜合作用下發(fā)生了側(cè)向融合與規(guī)整排列，也有可能形成一定程度的軸向排列。同時，纖維通過噴絲孔時受到剪切力的作用，導(dǎo)致整個分子沿流動方向(纖維軸向)有一定程度的有序排列，有序程度越高越有利于提高纖維的力學(xué)性能。加入殼聚糖組分后，當(dāng)膠原與殼聚糖質(zhì)量比為9∶1時，可看到更明顯的膠原分子棒狀結(jié)構(gòu)。這是因為二者是相容體系(部分相容)，殼聚糖分子均勻地分布在膠原分子之間，膠原分子原來相對緊密堆積的排列結(jié)構(gòu)受到影響，使分子間距離變大。隨著殼聚糖含量進一步增加，膠原與殼聚糖質(zhì)量比為8∶2時，復(fù)合纖維截面仍然以膠原分子棒狀結(jié)構(gòu)為主要特征。當(dāng)膠原與殼聚糖質(zhì)量比為7∶3時仍可見規(guī)整性較高的膠原分子排列，但連續(xù)相的殼聚糖分子已經(jīng)比較明顯。當(dāng)膠原與殼聚糖質(zhì)量比為6∶4時，殼聚糖相的連續(xù)性進一步提高，而膠原分子的有序排列程度降低。膠原與殼聚糖質(zhì)量比為5∶5時，觀察到以脆性較大的殼聚糖連續(xù)相為主，膠原分子在斷面露出較少。

2.3 纖維結(jié)晶性能分析

圖4 膠原與殼聚糖纖維的X射線衍射曲線Fig.4 XRD patterns of collagen and chitosan fibers

圖5 不同質(zhì)量比的膠原/殼聚糖復(fù)合纖維的X射線衍射曲線Fig.5 XRD patterns of collagen/chitosan composite fibers

圖4示出純膠原與殼聚糖纖維的X射線衍射曲線?？煽闯?，純膠原纖維在7.2°和20.4°處出現(xiàn)衍射峰，其中7.2°的衍射峰對應(yīng)膠原纖維分子鏈之間的距離。用Jade軟件進行曲線擬合，根據(jù)式(2)計算得到純膠原纖維的結(jié)晶度為23.28%[13-14]。殼聚糖纖維在9.8°和20.9°附近出現(xiàn)較寬的衍射峰，分別對應(yīng)其(100) 和(102) 衍射晶面。

圖5示出膠原/殼聚糖復(fù)合纖維的X射線衍射曲線。

可看出，膠原/殼聚糖復(fù)合纖維的衍射峰沒有純膠原纖維衍射峰強度高，經(jīng)計算得到不同比例膠原/殼聚糖復(fù)合纖維結(jié)晶度均低于20%，說明復(fù)合纖維的結(jié)晶度均低于純膠原纖維。這主要是因為膠原在溶解過程中原有的天然結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞，分子也被拆散，而在膠原纖維再成型的過程中，原來高度規(guī)整的結(jié)晶結(jié)構(gòu)難于形成，只能得到低有序的結(jié)構(gòu)，所以復(fù)合纖維的衍射峰強度變低且峰寬變寬[15]。其次，在低角度區(qū)，膠原纖維分子鏈間距離的衍射峰在大約6.7°和7.5°之間出現(xiàn)偏移，說明膠原分子和殼聚糖分子之間存在一定的相互作用，殼聚糖對膠原分子的排列結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，這與纖維斷面照片的特征相一致。

2.4 復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)分析

圖6 膠原與殼聚糖纖維的紅外光譜圖Fig.6 FT-IR spectra of collagen and chitosan fibers

圖7示出膠原/殼聚糖復(fù)合纖維的紅外譜圖?？煽闯?，復(fù)合纖維的紅外譜圖均出現(xiàn)酰胺Ⅲ帶特征峰，且其峰位與膠原纖維相比發(fā)生了不同程度的偏移，這說明膠原與殼聚糖間有氫鍵相互作用[17]。

圖7 不同質(zhì)量比的膠原/殼聚糖復(fù)合纖維的紅外光譜圖Fig.7 FT-IR spectra of collagen/chitosan composite fibers

2.5 纖維力學(xué)性能分析

表4示出膠原/殼聚糖復(fù)合纖維的力學(xué)性能隨殼聚糖含量的變化?？煽闯觯瑥?fù)合纖維的斷裂強度隨殼聚糖含量的增加出現(xiàn)先增加后下降趨勢。當(dāng)膠原與殼聚糖質(zhì)量比小于8∶2時，復(fù)合纖維斷裂強度明顯增加，這主要是因為該比例下膠原與殼聚糖二者相容性較好，二者間一定的相互作用利于纖維內(nèi)部分子鏈的有序排列，強度相對較大的殼聚糖對膠原的增強作用明顯，表現(xiàn)為復(fù)合纖維強度提高[18]。當(dāng)膠原與殼聚糖質(zhì)量比為8∶2時，二者相容性達到最佳，復(fù)合纖維斷裂強度為1.047 4 cN/dtex，與純膠原纖維相比提高了31.3%。當(dāng)殼聚糖含量繼續(xù)增加時，由于二者相容性開始下降，復(fù)合纖維斷裂強度逐漸降低。此外，復(fù)合纖維的斷裂伸長率也隨殼聚糖含量的增加出現(xiàn)先增加后下降的趨勢。綜上，說明殼聚糖的加入使復(fù)合纖維達到了增強增韌的效果。

表4 復(fù)合纖維的力學(xué)性能Tab.4 Mechanical properties of composite fibers

3 結(jié) 論

1) 當(dāng)膠原與殼聚糖質(zhì)量比為9∶1、8∶2、7∶3、6∶4和5∶5時，共混體系為相容體系；當(dāng)二者的質(zhì)量比為4∶6、3∶7、2∶8和1∶9時，共混體系為不相容體系。

2) 膠原纖維的斷面出現(xiàn)膠原分子的棒狀有序結(jié)構(gòu)和一定的自組裝結(jié)構(gòu)，膠原/殼聚糖復(fù)合纖維的這種結(jié)構(gòu)特征隨殼聚糖含量的增加而變化，即隨殼聚糖連續(xù)性的提高，膠原分子的有序排列程度降低。

3) 純膠原與殼聚糖纖維具有一定的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，而復(fù)合纖維中分子的有序排列程度降低。膠原和殼聚糖之間存在氫鍵相互作用，當(dāng)膠原與殼聚糖質(zhì)量比為8∶2時，二者相容性最好，復(fù)合纖維斷裂強度與純膠原纖維相比提高了31.3%。

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