胶原及明胶基天然高分子复合材料研究进展_裴莹.pdf

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1、基金项目:河南省科技厅基础与前沿技术研究计划项目 092300410130;作者简介:裴莹(1983-),女,硕士研究生,主要从事天然高分子材料的研究;*通讯联系人:E-mail:x.zheng ;kytang .胶原及明胶基天然高分子复合材料研究进展裴 莹,郑学晶*,汤克勇*(郑州大学材料科学与工程学院,郑州 450052)摘要:胶原及其降解物)明胶是自然界中存在的一类丰富的绿色资源,来源广泛,具有可再生、可降解的/绿色0特性。将它们与其它物质复合形成新的复合材料,有着良好的性能和新的特性从而使其具有广阔的应用前景。日益严峻的环境问题,石油资源濒临匮乏,废旧材料的回收等问题使得人们更加寻求新

2、的绿色的环境友好材料。本文根据天然资源各自的结构和性质,从复合方法和机理出发,综述了胶原及明胶与其它天然高分子(壳聚糖、淀粉、丝素蛋白、海藻酸钠)进行共混和复合以制备新的生物复合材料方面的研究进展。关键词:胶原;明胶;天然高分子;复合材料胶原是由动物细胞合成的一种生物高分子,是生物体内一种具有生物功能的纤维蛋白。它广泛存在于从低级脊椎动物的体表面到哺乳动物机体的一切组织中,是哺乳动物体内含量最多的一类蛋白质,占蛋白质总量的 25%30%1。胶原分子具有独特的三股螺旋结构,分子链由氨基酸组成,常为甘-脯-X(X 为羟脯氨酸或丙氨酸),或甘-X-Y(其中 X、Y 为除甘氨酸外的其它氨基酸)。每条肽

3、链形成一股左旋的螺旋,3 条左旋肽链相互缠绕形成右手大螺旋,这样的结构称为三股螺旋结构。胶原是细胞外基质成分,具有良好的生物学特性,可作为组织的支持物,对细胞、组织乃至器官正常发挥功能及外伤修复有重大影响。近年来,人们对胶原的研究及应用作了广泛的探讨,发现其作为一种生物体内的硬蛋白质胶原,能赋予其连接组织一些长久的特性,如机械强度、促进血液凝结等 2。由于其性质特殊、资源丰富,近 20 年来,人们从机体组织中分离、提取胶原,用于制备具有生物活性的胶原及无生物活性的胶原蛋白,并开发其在生物医学、化妆品、食品及食品包装、造纸等方面的应用,使其成为重要的生物医学材料和工业材料。明胶是胶原在酸、碱、酶

4、等的作用下发生化学变化或在光、紫外线、热等物理条件作用下的变性产物,与胶原一样由氨基酸组成,但是已经失去了其生物活性,三股螺旋结构已经部分瓦解。明胶具有很多优异的物理化学性能,如胶体保护性、成膜性、表面活性、凝胶与溶胶态可逆转变、两性聚电解质特性以及侧基的高化学反应活性,使其成为最早并且最重要的商品化蛋白质 3。另外,明胶来源丰富,具有良好的生物降解性和生物相容性。但是,明胶也存在力学性能较差、质脆、耐水性差、在潮湿环境中易受细菌侵蚀等缺点。除交联等化学改性方法外,胶原及明胶与其它材料进行共混也是改性的一个重要手段,特别是与一些天然生物高分子的共混与复合,这样既可以保留天然高分子材料的生物降解

5、特性,又能在提高胶原及明胶力学性能的同时赋予其新的生物特性。近年来,这方面研究受到国内外研究者的格外关注。本文综述了近年来胶原及明胶与其它天然高分子材料(壳聚糖、淀粉、海藻酸钠、蚕丝蛋白)共混制备生物复合材料的研究进展。1 与壳聚糖共混甲壳素是继纤维素后的第二大丰富的天然有机化合物,多存在于节肢动物(如虾、蟹)的外壳、海藻和#58#高 分 子 通 报2010年 2 月 一些真菌细胞的外壁中。壳聚糖是由 N-乙酰基-D-葡萄糖胺和 D-葡萄糖胺单元通过 B-D(1,4)糖苷键连接组成的碱性线性多糖,可通过甲壳素脱乙酰基得到。壳聚糖具有许多良好的性能,如吸附性、成膜性、通透性、成纤性、吸湿性和保湿

6、性 4。另外,壳聚糖一些特殊的性质使其具有广泛的应用领域:(1)能被酶和化学试剂修饰;(2)可降解且与细胞和器官有着良好的相容性;(3)易被加工成片状、粉状、微球、纤维和胶体 5。壳聚糖的结构使其极易在复合材料或超分子结构中结合,制备出相互贯穿的网状物、聚电解质复合物、接枝共聚物、混合物或其它结构物质 6。阳离子形式的壳聚糖能和大部分表现出具有两性特征的蛋白质进行离子型相互作用,形成聚电解质复合(PEC),如凝胶等。壳聚糖/胶原水解物复合材料方面的研究,是将两者进行共混以期望兼具其力学性能和生物降解性,以便应用于生物医学领域。研究表明 7,明胶体系有利于壳聚糖链的规整排列,壳聚糖的加入有利于改

7、善明胶的力学性能和抗水性。当明胶的质量分数为 20%时,可得到最大抗张强度为 61 MPa 的膜。余祖禹等 8采用干/湿态分离法制备了壳聚糖/明胶不对称膜,他们将按比例混合的壳聚糖/明胶溶液共混制成共混膜,经真空脱泡后将膜先放入烘箱下预烘一定时间,然后把膜浸入 NaOH(2 10%)-Na2CO3(0 15%)溶液中凝固 20h,再将膜冲洗、干燥。制得的这种不对称膜具有致密外层和海绵状内层的双层结构(见图 1)。随着预烘时间的延长,膜的致密外层增厚;随着膜中明胶含量的增加,膜的光滑度和致密度得到提高,吸水率也得到增加,但膜的机械强度却会降低。此种膜有望在人工皮肤方面得到应用。图 1 壳聚糖/明

8、胶共混膜的 SEM 图,左为表层;右为内层Figure 1 SEM images of the surface(left)and inner(right)of chitosan/gelatin film肖玲等还研究了湿热处理对壳聚糖/明胶共混膜结构与抗水性能的影响 9。他们将制得的共混膜在相对湿度为 75%的环境中进行不同时间的湿热处理。随着处理时间的延长,共混膜的吸水率及在酸性介质中的溶解性降低;并且在一定程度上升高湿热处理温度有利于提高共混膜的抗水性。另外,他们还采用乙酸酐对壳聚糖/明胶共混物进行乙酰化,冷冻干燥制备了乙酰化壳聚糖/明胶海绵。研究表明,当壳聚糖的质量分数超过 40%时,用乙

9、酸酐对共混物进行乙酰化处理能形成凝胶。增加乙酰酐的用量,凝胶的强度增大,在水中的溶胀性减小。壳聚糖中的氨基和乙酰氨基与明胶分子中的氨基和羧基之间的氢键和电荷作用,使分子链形成一个网络结构,水分子和大分子链结合紧密,水分子不易溢出 10。此外,国内外学者还对壳聚糖/明胶的相容性、交联方式以及复合材料的性能等进行了广泛的研究。壳聚糖/明胶共混物多采用在混合体系中加入交联剂的方法制得,常用的交联剂一般为醛类,如戊二醛等。Chiono 等 11采用京尼平作为交联剂制备了壳聚糖/明胶复合材料。与醛类和环氧化合物类交联剂相比,京尼平具有较低的毒性和较高的生物相容性 12。随着京尼平含量的增加,材料有着较高

10、的耐水稳定性和机械性能。对材料与水接触角的研究发现,随着明胶含量的增加,材料的耐水稳定性降低,这是由于明胶的强亲水性造成的。他们还发现,当明胶含量为 40%、壳聚糖含量较高、低 pH 条件下,复合材料形成了交联的网状多孔结构,材料的亲水性增加。溶胀溶解实验表明,随着明胶含量的增加,未交联的材#59#第 2 期高 分 子 通 报料达到溶胀平衡的时间变短,其溶解度增加。引入京尼平交联后,材料的溶胀溶解度与明胶含量的关联性并不明显。当交联剂含量为 215%时,材料具有较好的耐水稳定性。力学实验表明,随着交联剂含量的增加,材料的拉伸模量提高,这是由于交联剂的引入使体系形成了比较稳定的空间结构。而在相同

11、交联剂含量的情况下,随着明胶含量的增加,材料的拉伸模量降低。Ye 等 13采用稀溶液黏度法对胶原/壳聚糖混合物的相容性进行了研究。他们通过经典的 Huggins 方程,选取一些确定的参数,研究了混合物溶液的相容性。结果表明,在 25 e、加入醋酸的情况下,两组分可以在任何比例下混合。根据/memoryeffect0效应,也可推断混合物在固态下的可混性。此项标准能够用于预测胶原/壳聚糖的相容性,也为研究天然聚合物的共混情况提供了参考。Chen 等 14发现,以转谷氨酰胺酶(transglutaminase)和酪氨酸酶(tyrosinase)为催化剂,可以促进壳聚糖/明胶胶体的形成,其作用如图 2

12、 所示。由于酶的高效性,体系避免了低分子量组分,如交联剂或引发剂的使用,并且反应条件比较容易达到,反应步骤简洁。研究表明,通过改变明胶和壳聚糖的比例,可以调节酶修饰体系的机械强度,所制备的复合胶体有较广阔的应用前景。图 2 酶催化下明胶、壳聚糖的作用Figure 2 Function of gelatin and chitosan with enzymes catalyzingSalomMachado 等 15采用 FTIR、DSC、T G 等方法研究了胶原/壳聚糖共混物(比例为 1B1)。结果表明,复合材料的各成分还保持其原有的热力学行为,壳聚糖的加入没有使胶原纤维变性。流变学研究表明,壳聚

13、糖的加入导致储能模量、黏性模量和相对黏度的下降,共混物的流变行为更加趋向于流体(见图3 和图 4)。他们采用了两种方法处理过的胶原,一种是经碱液和盐液处理过的阴离子型胶原(AC),一种是经过简单处理的本体胶原(NC)。碱液处理的胶原带有新的水合键,能够使材料容纳更多的水分,造成纤维充分溶胀,增加了胶原分子的刚性,从而使体系出现液晶相,导致黏度/剪切速率、储能模量/频率比值的增加。Sionkowska 等 16研究了胶原与壳聚糖间的作用。但是,他们却得出了与 SalomMachado 相矛盾的结论。他们的研究表明,壳聚糖和胶原能够在分子水平共混,并且组分之间存在着相互作用。广角 X射线衍射分析表

14、明,壳聚糖的加入使胶原的螺旋结构信息丧失。如图 5 所示,胶原在 0184nm-1和3 15nm-1处都有特征峰显示,对应着胶原的螺旋结构相互作用。在 1 13nm-1处是水合壳聚糖的特征峰,而共混物只在 2 1 1nm-1处显示了一个无定形峰。说明壳聚糖改变了胶原螺旋结构的衍射特征。共混物黏度行为如图 6 所示,共混物出现了非线性的粘弹行为,并且其浓度都高于单个组分,说明共混物中胶原与壳聚糖的相互作用产生了一个新相,从而导致新的黏度相的出现。#60#高 分 子 通 报2010年 2 月 图 3 各单独组分和共混物的 DSC 曲线(其中,AC 为阴离子型胶原,NC 为本体胶原,QUI 为壳聚糖

15、,ACQ 为阴离子胶原/壳聚糖共混物,NCQ 为本体胶原/壳聚糖共混物)Figure 3 DSC curves of individual biopolymersand blend(AC:anionic collagen,NC:native collagen,QUI:chitosan,ACQ:anionic collagen/chitosan blend,NCQ:native collagen/chitosan blend)图 4 25e 下阴离子型胶原、壳聚糖和共混物的粘弹性行为(其中,AC 为阴离子型胶原,ACQ 为阴离子胶原/壳聚糖共混物,QUI 为壳聚糖)Figure 4 Viscoe

16、lastic properties of anionic collagen,chitosan and blend at 25e(AC:anionic collagen,QUI:chitosan,ACQ:anionic collagen/chitosan blend)图 5(1)壳聚糖,(2)共混物(胶原B 壳聚糖=80B20),(3)胶原的广角 X 射线衍射图Figure 5 Wide angle X-ray diffraction linear profilesof chitosan(1),a blend(collagenB chitosan=80B 20)(2)and collagen(3

17、)图 6 不同壳聚糖含量的固有黏度Figure 6 Concentration dependenceof intrinsic viscosity2 与淀粉共混淀粉分为直链淀粉和支链淀粉,是由 A-1,4-糖苷键连接而成的葡萄糖多糖高分子,以颗粒形式存在,不溶于冷水,在常温范围内性能比较稳定。同时,它又是一种电流变性能较好的物质,和无机流变颗粒相比,密度小,不易聚集。淀粉也是可降解的天然高分子,和明胶共混做成的复合材料既不破坏明胶的降解性,又能增加明胶的力学性能。高玲香、赵晓鹏等 17将淀粉颗粒分散到了明胶/甘油的水体系中,制备了淀粉/明胶/甘油含水电流变胶体。在体系中,淀粉作为分散相,提高了颗

18、粒的分散程度,改善了胶体的浓度可调性。在有、无电场作用的条件下分别胶凝,得到了两种含水电流变弹性胶体。通过对弹性胶体压缩模量的测试和胶凝过程#61#第 2 期高 分 子 通 报中电阻的动态监测,研究了胶体体系对电场的响应行为。结果表明,胶体的电阻和模量随着淀粉浓度的增加而增加。有电场作用下凝胶所得的胶体,其电阻和模量均大于无电场作用下凝胶所得的胶体。撤去电场后,胶体电阻的增加值和模量都有所减小。其原因可能是,淀粉作为一种不良导体,电场的作用促进了颗粒在明胶体系的有序分布,从而使体系的电阻值升高,胶体的模量增大。他们预期,此复合胶体会在航空救生和生物医学等领域具有良好的应用前景。Sundaram

19、 等 18制备了用于骨组织工程的明胶/淀粉/羟基磷灰石多孔支架。明胶/淀粉共混物增加了复合材料的生物降解性和机械性能。支架的孔隙率是 20Lm 左右,良好的互穿网络能够满足营养的交换。另外,他们也研究了明胶/淀粉网络膜与羟基磷灰石的相互作用。体系采用柠檬酸钠作为交联剂,由于在交联过程中不会产生副产物,所以比常规的醛交联剂安全。尤春等 19制备了聚乙烯醇/明胶/淀粉水凝胶,发现淀粉的引入有利于水凝胶材料的降解。图 7 为聚乙烯醇(PVA)与明胶的质量比为 9B1 不同放大倍数的断面形貌,这种比例的凝胶膜呈网格交联,交联点较致密;在凝胶内部存在许多孔隙,孔隙内部分布着一些淀粉颗粒。在水凝胶形成的过

20、程中,水分子和淀粉共同分布在 PVA 和明胶交联的网格中,当水分蒸发后,会在原有的位置上留下孔隙,淀粉也会残留在孔隙中。形成的这种结构用作组织工程支架材料,凝胶中的水分供给细胞生长,随着淀粉的不断降解,细胞可以长入水凝胶内部,为形成组织作充分准备。图 7 PVA/明胶/淀粉水凝胶的断面形貌Figure 7 The cross sectional morphology of PVA/gelatin/starch hydrogel(a 1000;b 5000)Arvanitoyannis 等 20制备了支链淀粉/明胶可食性薄膜。他们采用水和多元醇作为增塑剂,研究了该薄膜的机械性能、热性能和透水汽性

21、。研究发现,随着增塑剂含量的增加,薄膜的弹性模量和拉伸强度降低,当增塑剂含量增加到 25%时,弹性模量降低 60%。在较低温度下制备薄膜,明胶结晶分数提高,导致了复合薄膜透气性的降低;而增塑剂的增加,能提高薄膜的透气性。这种薄膜符合绿色环保的宗旨,也能够满足食物良好保鲜性和储藏性的需要。钟秋平和夏文水 21制备了壳聚糖/木薯淀粉/明胶复合可食抗菌保鲜膜,当复合膜中加入适量明胶时,复合膜的抗拉强度随木薯淀粉含量的增加而增大;明胶、甘油含量与膜的抗拉强度呈负相关的关系。明胶的加入改善了复合膜的阻气性能,其透气系数随明胶用量的增加一直呈下降趋势。适量的甘油提高了壳聚糖和木薯淀粉大分子的延伸性能,抑制

22、了淀粉分子在成膜过程中结晶态的形成,改变了木薯淀粉分子的取向,提高了木薯淀粉与壳聚糖分子之间的交联,使得在共混过程中有更多的亲水基团发生交联形成疏水基团,从而降低了共混膜的透湿系数。Khomutov 等 22研究了明胶/淀粉/水体系的相转变与凝胶性能。图 8 是明胶/淀粉质量分数与相析温度的关系图。随明胶淀粉质量分数的升高,体系的相析温度升高。在低质量分数范围内,相析温度明显升高,质量分数为 5%10%时,相析温度变化不大。另外,他们也研究了组分比例与凝胶强度的关系。从图 9 可以看出,单纯明胶的曲线与混合物的曲线近似,这在一定程度上说明明胶决定着凝胶网络的形成,而淀粉的贡献相对较小。#62#

23、高 分 子 通 报2010年 2 月 图 8 相析温度与明胶/淀粉浓度的关系(p 明胶/淀粉质量比 8B 2,o 明胶/淀粉质量比 5B 5)Figure 8 Dependence of phase-separationtemperature(Ts)on total polymer concentrationfor the gelatin/starch/water system atgelatin/starch weight ratiosof W=8B 2(p)and W=5B 5(o)图 9 凝胶强度(24h 后,5e)与明胶、淀粉质量比关系p 明胶/淀粉/水的共混体系,(1)(2)代表明胶

24、/淀粉质量分数分别为 5%,10%,o 代表纯明胶在相同浓度下的对比Figure 9 Variation of gel strength(after 24h at 5e)with weight ratio of gelatin/starch(W)for the gelatin/starch/water system(p)at total polymer concentration of C=510wt%and C=10wt%,in comparison with gelatin alone(o)at the same concentrations as in the mixed systems

25、3 与蚕丝蛋白共混从蚕丝中提取的天然高分子纤维蛋白即为蚕丝蛋白,也称丝素蛋白。其含量约占蚕丝的 70%80%,是开发利用蚕丝的主要材料。蚕丝蛋白的大分子链主要由甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸 3 种简单的氨基酸组成,并按照一定的比例和序列排列成较为规则的链段 23。蚕丝蛋白分子构象有 silk 型和 silk型。结晶可成为 B-折叠结构,特别是在甲醇的作用下更趋向于形成这种结晶结构。蚕丝蛋白以 B-折叠为基础,形成直径大约为 10nm 的微纤维,无数微纤维密切结合组成直径大约为 1Lm 的细纤维,大约 100根细纤维沿长轴排列构成直径大约为 10 18Lm 的单纤维,即蚕丝蛋白纤维 24。独特的分子结

26、构、优良的机械性能、良好的吸湿保湿性和抗微生物性能,以及与机体良好的生物相容性,使蚕丝蛋白在生物医学材料和组织工程等领域得到了广泛的应用。Lu 等 25采用冷冻干燥的方法制备了三维蚕丝蛋白/胶原共混支架。研究发现,在冷冻干燥时,蚕丝蛋白结构有自分离组装的现象发生,而引入的胶原与蚕丝蛋白形成的氢键能阻止蚕丝蛋白在冷冻干燥过程中结构的改变。他们重点讨论了酸碱条件对共混支架的影响,试样选用的 pH 范围是 4 10 815,图 10给出了这种共混物的形貌。可以看出,当 pH 在 710 时,制出的复合支架有着较高的连通性并且孔隙结构尺寸均一;在其它 pH 条件下,尽管孔隙结构不均匀,但是在这些酸度条

27、件下还可以成功地制备出三维复合结构支架。他们经力学测试表明,在中性条件下,支架具有最好的力学性能指标,且在其它条件下的复合支架的机械性能都优于纯蚕丝蛋白支架(见表 1)。为了拓展支架的功能性,在复合支架中还可以引入其它生物高分子,如壳聚糖、肝磷脂等,以应用于生物医学领域,如药物释放和组织工程。Gil 和 Frankowski 等 26制备了蚕丝蛋白/明胶膜。研究发现,体系中加入甲醇,使蚕丝蛋白的构象由无规线团转变为B-折叠结构,荧光染料不易浸透到结晶结构中。图 11a 中的暗区为结晶结构,与图11b中未经染色的蚕丝蛋白枝状结晶结构对应。蚕丝蛋白与明胶共混后,同样具有这种结晶枝状结构。这种结构的

28、形成有利于提高蚕丝蛋白/胶原共混物的热稳定性,使该膜在生物材料、制药、气体分离等领域有#63#第 2 期高 分 子 通 报着巨大的应用潜力。图 10 经甲醇处理过的蚕丝蛋白/胶原支架形貌(a pH=4,b pH=5 1 5,c pH=7 10,d pH=8 1 5)Figure 10 Morphology of methanol treated fibroin/collagen scaffolds derived from different pH values:(a)pH=4,(b)pH=5 1 5,(c)pH=7 and(d)pH=8 1 5表 1 经甲醇处理过的不同 pH 条件下蚕丝蛋白

29、/胶原支架的机械性能Table 1 Mechanical properties of methano-l treated fibroin/collagen scaffolds derived from different pHpHCompressive modulus(MPa)Compressive strength(M Pa)4 1 06 1 50?11350 1 35?0 1 045 1 59 1 96?01820 1 38?0 1 027 1 012 1 2?01440 1 43?0 1 018 1 59 1 91?11130 1 39?0 1 02 L等 27利用溶液共混法制备了蚕丝蛋

30、白/胶原三维支架。研究发现,随着蚕丝蛋白体系中胶原蛋白的加入,两者开始相互作用,共混体系黏度增加,并且与胶原的作用也限制了冷冻过程中蚕丝蛋白的聚集。当共混溶液中含有 20%胶原蛋白、4%蚕丝蛋白时,测得浓缩物的孔隙率大于 90%,屈服强度和模量分别达到了 354?25kPa 和 30?0 11MPa。通过调节孔隙的尺寸、分布和支架的含水量,可以进一步改善支架的性能。他们还将 HepG2 细胞引入到体系中,研究了支架材料的生物相容性。比较发现,蚕丝蛋白/胶原支架上培养细胞的数量和分散性均较单纯的蚕丝蛋白支架好。李明忠等 28采用热风干燥法制备丝素/明胶共混蛋白膜。他们制备了两种共混膜,一种是将丝

31、素蛋白和明胶按不同比例混合后,加入戊二醛交联剂,充分搅拌后注入浇铸模具内,于 50e 烘干制膜。另一种方法是制备复合交联共混膜,分别用戊二醛和 SD-1型交联剂交联明胶和丝素蛋白,然后将这两种交联溶液按不同比例混合,充分搅拌后,注入模具内,50e 烘干制膜。他们还探讨了共混比例、交联剂等对共混膜性能的影响。结果表明,共混比例为 50/50 左右时,膜的断裂伸长率和伸长弹性率都较大。马芳等 29探讨了丝素蛋白/明胶复合膜的溶胀行为。他们认为,共混膜中丝素蛋白和明胶的共混比对溶胀率和溶解率有极为显著的影响,而且存在一个明胶临界值。未达到临界值以前,溶胀率随着明胶含量的升高而升高;超过此临界值后,随

32、着体系明胶含量的增加,膜的溶胀率变小。经过乙醇处理后,共混膜溶胀率随着明胶量的增加而提高,溶解率则减小。由于醇处理可以使共混膜的无规结构转化为有序结构,提高了共混膜的结晶度,从而对共混膜溶胀率和溶解率都有极为显著的影响。#64#高 分 子 通 报2010年 2 月 图 11 经甲醇在 20e 下处理 2h 的经过荧光染色(a)和未经荧光染色(b)的蚕丝蛋白及胶原蛋白/蚕丝蛋白共混物(c)(共混比例为 25:1)的共焦激光扫描图片Figure 11 CLSM images acquired from(a,b)pure SF and(c)the G/SF25 blend after exposur

33、eto aqueous MeOH for 2 h at 20e 1T he image in(a)has been obtained with a fluorescent dye,whereas the matched image in(b),as well as the one displayed in(c),employs differential interference contrast(DIC)王曙东等 30将再生丝素蛋白和水溶性胶原蛋白溶解于甲酸中,进行共混静电纺丝。研究发现,在其它工艺参数相同的条件下,丝素蛋白与水溶性胶原蛋白共混静电纺丝时,随着纺丝液质量分数的提高,黏度增大,纤

34、维直径和离散程度都呈上升趋势,纤维变得不规整、分布不均匀。纯丝素蛋白纳米纤维主要呈无规构象,含有少量 B-折叠构象。丝素蛋白与水溶性胶原蛋白之间存在氢键作用,导致丝素/胶原蛋白共混纳米纤维 B化程度提高。4 与海藻酸盐共混海藻酸钠(NaAIg)是一类从褐藻中提取的天然线型多糖,由 1,4 键合的 b-D-甘露糖醛酸(M 单元)和 a-L-古罗糖醛酸(G 单元)残基组成,在多价态离子作用下能形成交联结构,一般是在可溶性钙盐的作用下形成交联结构,形成不溶的藻酸钙。海藻酸钠无毒,可生物降解,并具有高的生物活性,在伤口表面形成凝胶,能保护伤口,具有止血、防止粘连、治疗烧伤的作用。因此,海藻酸钠可以用作

35、伤口包扎材料;另有研究表明,海藻酸可以完全被生物体吸收,无不良反应;交联结构的形成减少了其在溶剂中的溶胀性,所以常用于药物的缓释。另外,它也可以用作蛋白质、细胞和 DNA 的固定 31 33。海藻酸钠在 Ca2+的作用下,会形成/蛋盒0形状的凝胶结构 34,而明胶的交联则是由于温度变化使明胶分子构象发生变化,从而产生凝胶结构 35,两者形成凝胶的机理不同。所以,在二者同时存在的体系中,凝胶行为比较复杂。Panouillec,Larreta-Garde 36研究了温度、共混物浓度、离子强度和钙离子浓度等条件对海藻酸钠/明胶共混胶体的影响。他们将海藻酸盐粉末溶解在 CaEDT A 溶液(钙的 ED

36、T A 溶液)中,缓慢机械搅拌 1h,然后在 40 e 下与一定浓度的明胶溶液混合,同时加入 GDL(葡萄糖酸内酯)溶液,体系缓慢释放 Ca2+,使海藻酸盐交联。海藻酸钠的交联应在 35 e 45e 之间进行,较高的共混物浓度、Ca2+浓度和离子强度都会使交联体系瓦解。另一方面,明胶产生的凝胶体系对温度循环不稳定,但 Ca2+对此凝胶体系影响不大。海藻酸钠/明胶共混物中,明胶含量提高会使海藻酸盐凝胶体系瓦解,而明胶分子链更加自由移动,也加速了明胶凝胶体系的发展。Dong 等 37制备了海藻酸钠和明胶共混膜,并将其应用于药物缓释。共混膜采用溶液铺筑-溶剂蒸发成膜,并加入药物-盐酸环丙沙星,成膜后

37、在质量分数为 5%的 CaCl2溶液中交联后,干燥制备薄膜,所得#65#第 2 期高 分 子 通 报到包膜的厚度范围为 30 50Lm。实验表明,明胶质量分数为 50%时,薄膜力学性能达到最佳值,拉伸强度为 105 15MPa,断裂伸长率为 19 1 4%。通过 X 射线衍射实验研究发现,海藻酸钠的衍射峰随着明胶的加入发生偏移,表明明胶和海藻酸钠发生了强烈的相互作用,改变了海藻酸钠规则晶体的形成。SEM 电镜实验得到的薄膜形貌如图 12,薄膜断面平滑均一,说明两者有较好的相容性。明胶是一种可溶性的大分子,它溶解后使体系留下许多空隙结构,有利于药物的释放。因此,随着明胶含量的增加,药物的释放量提

38、高。另外,随着交联时间的提高,药物的释放速率减慢。图 12 左图为海藻酸盐/明胶膜断面 SEM 形貌图,右图为加入盐酸环丙沙星共混膜的 SEM 形貌图Figure 12 SEM photographs of blank matrix alginate/gelatin film(left)and drug loaded film(right)Almeida 38研究开发了一种新的心得乐(Pindolol)药物缓释微球的制备方法。他们将海藻酸钠与明胶混合,以甲醛或戊二醛为交联剂,加入心得乐后,将混合物置于蠕动泵中通过直径为 019mm 的针管滴入到 1%3%的 CaCl2溶液中形成珠粒状,经过水洗

39、、干燥后制得药物颗粒。明胶的加入,使颗粒的表面变得光滑,没有发生聚集(见图 13)。DSC 实验表明,心得乐的加入并没有影响海藻酸钠与明胶的交联反应,并且由于交联结构的形成,微球在酸性或磷酸盐缓冲溶液(pH=714)中的耐腐蚀性得到提高。图 13 心得乐/海藻酸盐/明胶药物珠粒Figure 13 SEM of pindolo-l containing alginate/gelatinbeads cross-linked with formaldehydeBalakrishnan 39等先用高碘酸钠将海藻酸钠氧化为海藻酸二醛(ADA),加入明胶溶液,在 37e 下搅拌交联后再加入硼砂,制得可注射

40、并具有生物降解性的支架材料。他们也研究确定了海藻酸钠最佳的氧化程度和合适的分子量。低浓度硼砂的加入,可通过配位作用提高海藻酸盐/明胶共混体系相容性,并提高了 Schiff 反应速率(反应如图 14 所示),形成了血管注射水凝胶体系。毒性测试表明,该水凝胶无毒。此项研究表明海藻酸盐/明胶体系在未加交联剂下能自交联为一种具有良好相容性和生物可降解的无毒支架材料。程晋生 40研究了明胶/海藻酸的凝冻温度和熔融温度,并特别研究了明胶:海藻酸=9 B1 时的混合体系,发现其在所研究的温度区域内,加热过程中体系黏度值与冷却过程中的黏度值不一致。由此推测体系冷却形成的凝胶结构在之后的加热过程中只是部分发生熔

41、融,在操作的时间段内还不可能达到平衡,因而会出现温度滞后现象。复合体系的凝冻(熔融)温度较其它共混比例体系高 4 5e,相应的凝胶具有较高的弹性模量,在凝胶融化后所得的溶液也比原始溶液具有较高的黏度。另外,通过对物理-机械性能的测定,发现明胶/海藻酸钠为 9B1(质量比)时,弹性模量值最大。刘根起等 41制备了明胶/海藻酸钠半互穿聚合物网络膜,并研究了膜的溶胀吸水率及其电刺激响应行为。他们分别将明胶和海藻酸钠溶于 45e 的蒸馏水中,搅拌均匀后加入戊二醛进行交联反应,然后在培养皿中浸泡,红外烘干制得互穿网络聚合物膜。结果表明,海藻酸钠的引入可极大地提高明胶的吸水率;在 NaCl 溶液中,该半互

42、穿聚合物网络水凝胶膜在非接触#66#高 分 子 通 报2010年 2 月 直流电场作用下向电场负极弯曲,其弯曲速度及弯曲偏转量受外加电场强度和膜中聚离子浓度的影响。在循环电场作用下,膜的弯曲响应行为具有良好的可逆性,并通过聚电解质凝胶弯曲理论初步解释了其弯曲机理。周煜竣和张黎明 42研究了海藻酸钠/明胶混合水溶液的流变性能。他们研究发现,混合溶液具有剪切变稀的非牛顿假塑性流体特征;随着体系中明胶含量的增加,相应混合溶液的稠度系数增大而黏性指数下降,同时溶液的触变性能得以增强,该混合溶液体系具有协同增效性。图 14 ADA 与明胶加入硼砂的反应Figure 14 Gelatin cross-li

43、nking with ADA in the presence of borax5 结语由于环境恶化、资源匮乏和能源危机的挑战,人类已逐渐认识到保护环境和有效利用资源对实现社会和经济可持续发展的重要性和迫切性。近年来,来源于天然高分子材料的生物复合材料以其环境友好、性能优异、成本低廉等特点越来越多地受到人们的高度重视。胶原和明胶来源广泛,是优良的可再生自然资源之一。胶原或明胶与其它天然高分子复合材料的研究与开发尤其符合可持续发展战略。根据这些天然资源各自的结构与性质,深入探寻复合机理和方法,根据应用领域的要求开发新的纯天然生物高分子复合材料品种,开拓其更加广阔的应用领域具有十分重要的意义。参考文

44、献:1 蒋挺大.胶原与胶原蛋白.北京:化学工业出版社,2006,2.2 李国英.中国皮革,2002,31(17):20 21.3 纪云,张晓红,郭荣.化学学报,2004,62(4):345 350.4 王军利,刘忠.天津造纸,2002,24(1):21 22.5 Paul W,Shrama C P.ST P Pharma Sci,2000,1(10):5 22.6 Gallardo A,Aguilar M.Chitosan based microcomposites from biodegradable microparticles to self-curing hydrog els C/Ru

45、i L R,Roman J S.Biodegradable sy stems in tissue engineering and reg enerative medicine.U SA:CRC Press,2005:145.7 余家会,杜予民.武汉大学学报(理学版),1999,45(4):440 444.8 余祖禹,肖玲,杜予民等.武汉大学学报(理学版),2003,49(6):731 734.9 肖玲,朱华跃,杜予民.武汉大学学报(理学版),2005,51(2):185 189.#67#第 2 期高 分 子 通 报 10 肖玲,万东,常玉华.武汉大学学报(理学版),2006,22(3):262

46、 266.11 Chiono V,Pulieri E.J M ater Sci:Mater Med,2008,19(2):889 898.12 T saic C,Huang r N,Sung H W,et al.J Biomed Mater Res:Part A,2000,52(1):58 65.13 Ye Y C,Dan W,Zeng R,et al.J Eur Polym,2007,43(5):2066 2071.14 Chen T H,Heather D E.Biomaterial,2003,14(24):2831 2841.15 Salome.machado A A,Martins V

47、 C A,Plepis A M G.J T herm Anal Calorim,2002,67(2):491 498.16 Sionkowska A,Wisniewkia M.Biomaterials,2004,15(25):795 01.17 高玲香,赵晓鹏.功能材料,2004,35(4):426 431.18 Sundaram J,T imothyd D,Wang R.Acta Biomaterialia,2008,4(4):932 942.19 尤春,张振方,童昕.塑料工业,2007,35(2):47 49.20 Arvanitoyannis I,Nakayama A,Aiba S I.

48、Carbohydr Polym,1998,36(2-3):105 119.21 钟秋平,夏文水.食品科学,2006,27(6):59 63.22 Khomutovl I,Lashek N A,Ptitchkina N M.Carbohydr Polym,1995,28(4):341 345 23 Hayashi C Y,Lewis R V.J Mol Biol,1998,275(5):773 784.24 M ita K,Ichimura S,James T.J Mol Biol,1994,271(38):583 592.25 Lu Q,Feng Q L,Hu K,et al.J Mater

49、Sc-i Mater M ed,2008,19(2):629 634.26 Gil E S,Frankowaki D J,Bowman M K.Biomacromolecules,2006,7(3):728 735.27 LQ,Feng Q L,Hu K,et al.Polymer,2005,46(26):12662 12669.28 李明忠,卢神州,张长胜等.东华大学学报(自然科学版),2002,28(3):74 78.29 马芳,朱良均,邹风竹.蚕业科学,2005,31(3):404 406.30 王曙东,吴佳林,张幼珠.丝绸,2007,51(7):22 24.31 Eldridge J,

50、Staas J.M olecular Immunology,1991,28(3):287 294.32 Sun A M,Opshea G M.J Control Release,1985,4(2):137 141.33 Smith T J.Biopharm,1994,18(4):26.34 Siew C K,Williams P A,Yong W G.Biomacromolecules,2005,6(2):963 969.35 Joly-duhamel C,Hellio D,Djabourov M.Langmuir,2002,18(19):7208 7217.36 Panouille.M,Lq