CN101289539A - 一种用环氧化合物对动物皮胶原进行改性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用环氧化合物对动物皮胶原进行改性的方法，其特征是在25～65℃温度下，将100重量份的皮胶原，置于50～2000重量份的环氧化合物溶液或乳液中，溶液或乳液的pH值为7.5～11.5，含环氧化合物1～20重量份，浸泡10～30min；然后加入0.1～3.0重量份的催化剂，处理10～60min；恒温或分阶段升温处理2～72h；再用0.2～3.0重量份的氨基酸在25～60℃下处理0.5～4h；用酸或酸式盐将浴液pH调至中性；再用磷酸盐缓冲溶液(PBS)清洗24～48h，反复2次；最后水洗24～48h，反复2次。
Description
技术领域
本发明涉及一种用环氧化合物对动物皮胶原进行改性的方法。
背景技术
环氧化合物是人们使用较早的交联剂，环氧氯丙烷、二环氧丁烷、丁三醇二缩水甘油醚、丙三醇缩水甘油醚的鞣革性能已有报道(E.Heidemann.Fundamentals ofleather.Roetherdruck，1993)。经环氧化合物鞣制的革，颜色洁白，收缩温度和物理机械性能均有一定程度的提高。丙三醇三缩水甘油醚长时间鞣制的革，其收缩温度可以达到73.5℃，但远远低于制革行业的要求(Ts≥95℃)。又由于其反应时间长(14天)，制革行业无法接受，因此被长期束之高阁。
动物皮胶原用于医学由来已久，而通过皮胶原的改性来拓展其应用领域，已成为当今的热点(但卫华，王坤余，曾睿，等.胶原的医学应用及其发展前景.生物医学工程与临床.2004，8(11)：45-48，52)。在医学方面，由于人们希望提高胶原类物质(如肌腱、心包、血管等)的抗降解能力，提高物理机械性能，也对环氧化合物改性进行了研究。Hsing WenSung等将甲基缩水甘油醚(EX-131)、苯基缩水甘油醚(EX-145)、月桂醇缩水甘油醚(EX-171)等用于猪心包的改性。EX-131、EX-145改性心包的ΔTs分别为-3.9℃和-5.1℃(Sung HW，Shen S H，Tu R，et al.Comparison of the crosslinkingcharacteristics of the porcine heart valves fixed with glutaraldehyde or epoxycompound.ASAIOJ，1993，39：532)。刘侠等用乙二醇二缩水甘油醚(Ethylene GlycolDiglycidyl Ether，EGDE)处理牦牛心包，较之戊二醛固定的心包，胶原纤维的走向更富弹性，抗张强度和断裂伸长率增加，浆膜层脱落程度小，更为光滑。体内植入实验表明，撕裂程度明显较低，力学性能明显优于戊二醛改性的心包(刘侠，乐以伦，黄嘉，等.环氧改性与戊二醛处理的牦牛心包的扫描电镜形态比较.生物医学工程学杂志，1996，13(3)：200)。Hsin-WenSungt等用EGED改性猪胸动脉，得到Ts为73.9±1.0℃，强度为393.8±61.5gmm-2的改性产物。R.Zeeman等研究了1，4丁二醇缩水甘油醚(1，4-butanediol diglycidyl ether，BDDGE)对绵羊真皮的交联，Ts达到约67℃(R Zeeman，P J Dijkstra，P B van Wachem，et al.Crosslinking and modification of dermal sheep collagenusing 1，4-butanediol diglycidyl ether.Journal of Biomedical MaterialsResearch，1999，46(3)：424)。张雷等用丙三醇缩水甘油醚(glycerol Polyglycidyl ether，GPE)处理人体静脉，处理后的血管在纵向断裂强度明显高于戊二醛处理和未交联的血管，在纵向上有更多的交联键形成，能明显提高血管纵向的牢固程度，对血管的顺应性无明显影响(张雷，张柏根.环氧化合物和戊二醛对人离体大隐静脉力学性质的影响.上海生物医学工程，1997，18(2)：14)。
综上所述，现有技术存在以下不足：
1.反应时间长。由于环氧化合物与皮胶原完全反应的时间较长，为了达到改性效果，往往采用延长反应时间的方法，一般需要3天，甚至14天。因而难以适用于批量生产。
2.改性效率低、效果差。环氧化合物与胶原的反应存在较高的能垒，两者反应速度较慢，导致改性效率低、效果差，难以大量实际应用和推广。
3.对环氧化合物的残留考虑不够。环氧化合物与氨基的反应很难完全，残留在皮胶原中的环氧化合物具有一定的细胞毒性，对人体有害。要完全清洗掉残留的环氧化合物不仅十分困难，且时间长，效率低。若经过乙醇浸泡清洗，虽然效果有所提高，但是仍然难以除尽。
4.缺乏对工艺方法的研究。以往的研究，往往局限于在某一特定温度、pH、时间等单一条件下进行研究，缺乏对于改性过程工艺方法的研究。而工艺方法对材料的应用性能起着十分关键的作用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种用环氧化合物对皮胶原进行改性的方法，其特点是采用在反应时加入催化剂加速反应，分阶段升温，降低缩短反应时间，提高改性效率，反应后加入氨基酸和加强洗涤，除去残留环氧化合物。在工艺方法上，先期低温渗透，后期高温反应。
本发明的目的是由以下技术措施来实现的。
(1)浸透
将环氧化合物1～20重量份加入到50～2000重量份的溶剂中，搅拌使环氧化合物溶解；或将环氧化合物1～20重量份，加入到50～2000重量份的水和0.5～5.0重量份的乳化剂中，搅拌使环氧化合物充分乳化。将该乳液或溶液加入到100重量份的皮胶原中，室温下处理10～60min，使环氧化合物完全渗透到皮胶原中。
(2)加入催化剂
加入0.1～3.0重量份的单种或混合催化剂。该催化剂是水杨酸、三乙醇胺、二甲胺基丙胺、氟硼酸锌、2，4，6-三-(二甲氨基甲基)-苯酚(TDAMP)等中的一种或多种的混合物。然后搅拌10～60min，使催化剂渗入皮胶原中。
(3)调节pH值
可直接使用规定pH的缓冲溶液作为(1)中的浴液，如pH为10.0的NaOH-Na2CO3缓冲溶液，或pH为10.5的磷酸盐缓冲溶液，此时可省去本步骤；亦可缓慢加入0.1～3.0重量份的碳酸钠或0.1～1.0重量份的NaOH，将浴液pH值提高到7.5～11.5。处理30～60min，使皮胶原内外的pH值均匀一致。
(4)提高温度
升温时可直接一次加热至35～65℃，处理2～72h；亦可采用分阶段升温的方法，如先将温度升高到25～47℃，反应一段时间(如4～12h)后，待收缩温度升高以后，再将温度升高到47～65℃反应1～6h。
(5)氨基酸处理
在以上浴液中加入0.2～2重量份的氨基酸处理2～24h。可采用35～50℃较长时间(2～6h)处理，或50～75℃短时间(1～4h)处理。
(6)脱碱
将氨基酸处理废液倒掉，加入50～300重量份的溶剂和0.1～5.0重量份的盐酸、氯化铵、硫酸铵等，使pH值降至6.5～7.5。
(7)清洗
采用pH值为7.4的PBS溶液和水进行多次清洗，以尽量除去无用物。
本发明所使用的试剂均为市售商品。本发明中所用的环氧化合物、催化剂、氨基酸等，若用于皮革行业，可用工业纯。若用于生物材料改性，则应采用分析纯、生化纯或更高纯度的试剂。
本发明具有以下优点：
(1)反应时间缩短
采用催化剂促进环氧化合物与皮胶原间的反应。由于催化剂的加入，使环氧键活化，反应所需能垒降低，从而使环氧基能在较低的温度下发生反应，避免了皮胶原在过高温度下的降解。采用分阶段升温，当皮胶原改性一段时间后，耐热性能提高，此时提高反应温度，使基团反应几率增加，更多的基团被活化，从而提高了反应速度，缩短了反应时间。
(2)反应效率高
催化剂的加入，使环氧基活化的同时，亦可使胶原上的羟基等基团活化。同时高pH值使氨基活化，从而使皮胶原与环氧基间发生反应的位点增加，更易于形成交联结构。采用优化的反应条件与催化剂相结合，大大提高了环氧化合物与皮胶原间的反应效率。
(3)基本无环氧化合物残留
后期采用氨基酸处理，在较高的温度下，使残留的环氧化合物与氨基反应，除去了残留的环氧化合物。此方法与清洗相结合，能够基本除尽残留的环氧化合物。
(4)工艺方法得到优化
注重工艺方法的优化。优化了材料的渗透与结合、pH值的提高、分阶段升温等过程。一方面抑制了副反应的发生(如环氧基的水解，皮胶原的水解)，另一方面促进了材料的渗透与结合。
(6)将该方法用于制革，可以为白湿皮的制造提供新的方法，消除中性盐、铝盐的污染，其皮屑等可用作明胶等提取的原材料。同时在后期的处理中，当pH降低后(如浸酸)，未反应的环氧基会被水解为羟基，消除了环氧基的毒性。该方法用于预鞣和复鞣，能有效减少铬鞣剂的用量。
(7)将该方法用于制造皮胶原改性产品，可以提高物理机械性能，改善抗降解和抗钙化能力，提高亲水性能，降低皮胶原基生物医学材料的抗原性。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述。有必要在此指出的是，本实施例只用于对本发明进行进一步说明，而不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
应用实例1
以常规制革方法获得的脱灰软化猪皮为原料，重量以灰皮重量为基准，在转鼓中，按以下步骤操作：
(1)浸透
①.技术规定：水：100重量份；内温：37℃；脱灰软化猪皮：100重量份；平平加O-20：1.0重量份，丙三醇缩水甘油醚：20重量份。
②.操作方法：按规定调好内温，加入皮胶原和水，然后加入平平加O，转动20min，再从转鼓轴孔缓缓加入丙三醇缩水甘油醚，转动30min。
(2)催化反应
①.技术规定：在以上浴液中进行。水杨酸：0.5重量份；三乙醇胺：1.0重量份；20％的氢氧化钠溶液：0.1～2.0重量份。
②.操作方法：加入水杨酸和三乙醇胺，转动120min。加入氢氧化钠溶液，将pH值调节到10.0，转动12h。
(3)水洗
流水洗10min。
(3)搭马、挤水、滚锯末、片皮、削匀、称重。
(4)以下按常规制革工艺进行。
应用实例2
用该方法改性猪皮脱细胞真皮基质，可在小型不锈钢转鼓中进行，按以下步骤操作：
(1)浸透
①.技术规定：内温：42℃；皮胶原：100重量份；pH值为10.0的NaOH-Na2CO3缓冲溶液：200重量份；平平加：1重量份，丙三醇缩水甘油醚：8重量份。
②.操作方法：将缓冲溶液泵入转鼓中，加热至42℃，再将皮胶原置于转鼓中，加入平平加，处理20min，然后加入丙三醇缩水甘油醚，转动60min。
(2)催化改性
①.技术规定：在以上浸透废液中进行。内温：42℃；三乙醇胺：1.0重量份
②.操作方法：加入三乙醇胺，转动60min。
(3)分段升温
①.技术规定：在以上催化改性废液中进行。
②.操作方法：先在42℃温度下反应4h，然后将浴液温度加热至47℃，保持温度8h。再将温度升高到50℃，保持温度2h。
(4)氨基酸处理
①.技术规定：在以上催化废液中进行。温度：50℃，赖氨酸1.0重量份
②.操作方法：在以上催化废液中加入赖氨酸，调节至规定温度，处理1h。
(5)脱碱
①.技术规定：温度：室温；水：100％；氯化铵：3.0重量份。
②.操作方法：将上述氨基酸处理废液倒掉，加入规定的蒸馏水，加入氯化铵，在室温下处理60min，至pH值为中性。
(6)清洗
①.技术规定：PBS溶液(pH7.4)：1000重量份，双蒸水：1000重量份。
②.操作方法：弃去脱碱废液，用PBS溶液洗涤改性物12小时，反复2次。然后用双蒸水洗涤6h，反复3次。
(7)冷冻干燥
将洗净的改性物冷冻干燥，保存备用。
应用实例3
用该方法改性猪皮脱细胞真皮基质材料的改性工艺，可在小型不锈钢转鼓中进行，按以下步骤操作：
(1)浸透
①.技术规定：内温：室温；皮胶原：100重量份；PBS缓冲溶液(pH10.5)：100重量份；NaCl：8重量份，丙三醇缩水甘油醚：4重量份，山梨糖醇四缩水甘油醚：8重量份。
②.操作方法：按规定调好液比、内温，在室温下加入皮胶原和氯化钠，转动30min，再加入丙三醇缩水甘油醚和山梨糖醇四缩水甘油醚，转动60min。
(2)催化升温改性
①.技术规定：在以上浸透液中进行。三乙醇胺：2.0重量份。
②.操作方法：加入三乙醇胺，转动20min。然后提高温度至42℃，转动48小时。
(3)氨基酸处理
①.技术规定：在以上改性废液中进行。内温：60℃；甘氨酸：2.0重量份。
②.操作方法：在以上改性废液中加入甘氨酸，调好内温，转动4h。
(4)水洗
①.技术规定：水：300％。
②.操作方法：将氨基酸处理液倒掉，加入水，在室温下处理30min。
(5)脱碱
①.技术规定：水：300％；氯化铵：3.0重量份。
②.操作方法：弃去水洗废液，加入水和氯化铵，在室温下处理120min。
(6)清洗
①.技术规定：PBS溶液(pH7.4)：2000重量份；双蒸水：2000重量份。
②.操作方法：弃去脱碱液，用PBS溶液洗涤改性物24h，反复2次。然后用双蒸水洗涤12h，反复4次。
(7)冷冻干燥
将洗净的改性物冷冻干燥，保存备用。
应用实例4
用该方法处理含有动物皮水解产物制成的膜材料的改性工艺，重量以膜材料重量为基准，按以下步骤操作：
(1)浸透
①.技术规定：内温：室温；膜材料：100重量份；二甲基亚砜：200重量份；乙二醇二缩水甘油醚：4重量份。
②.操作方法：在室温下，加入膜材料，然后加入二甲基亚砜，振荡20min，然后加入乙二醇缩水甘油醚。振荡60min。
(2)催化改性
①.技术规定：在浸透液中进行。二甲胺基丙胺：3.0重量份。
②.操作方法：加入二甲胺基丙胺，转动20min。将温度调至25℃，反应72h。
(3)氨基酸处理
①.技术规定：内温：55℃，谷氨酸：1重量份
②.操作方法：在改性液中加入谷氨酸，处理2h。
(4)脱碱
①.技术规定：内温：室温；水：200重量份；硫酸铵：3.0重量份。
②.操作方法：将氨基酸处理液倒掉，按规定调好内温，加入水和硫酸铵，在室温下处理40min。
(5)清洗
①.技术规定：PBS溶液(pH7.4)：2000重量；双蒸水：2000重量。
②.操作方法：弃去脱碱液，用PBS溶液洗涤改性物24小时，反复2次。然后用双蒸水洗涤48h，反复2次。
(6)冷冻干燥
将洗净的改性物冷冻干燥，保存备用。
应用实例5
用该方法处理含有动物皮水解产物制成的纤维材料的改性工艺，重量以纤维重量为基准，包括以下步骤：
(1)浸泡
①.技术规定：内温：室温；纤维：100重量份；丙酮：200重量份；聚乙二醇二缩水甘油醚：2重量份。
②.操作方法：按规定调好内温，加入丙酮，加入聚乙二醇二缩水甘油醚，振荡60min。
(2)催化改性
①.技术规定：在浸泡液中进行。2，4，6-三-(二甲氨基甲苯)-苯酚(TDAMP)：1重量份。
②.操作方法：加入2，4，6-三-(二甲氨基甲苯)-苯酚(TDAMP)，转动20min。然后提高温度至35℃，转动72小时。
(3)氨基酸处理
①.技术规定：在催化改性液中进行。温度：35℃，甘氨酸：1.0重量份。
②.操作方法：在催化改性液中加入甘氨酸，处理12h。
(4)脱碱
①.技术规定：内温：常温；水：100重量份；平平加：2.0重量份；硫酸铵：3.0重量份。
②.操作方法：将氨基酸处理液倒掉，按规定依次加入水、平平加和硫酸铵，在室温下处理120min。
(5)清洗
①.技术规定：PBS溶液(pH7.4)：300重量份；双蒸水：2000重量份。
②.操作方法：弃去脱碱液，用PBS溶液洗涤改性物24小时，反复2次。然后用双蒸水洗涤48h，反复2次。
应用实例6
该方法用于动物皮水解产物湿法纺制纤维的凝固浴。
凝固浴配制如下：丙酮：100重量份；季戊四醇缩水甘油醚：20重量份，2，4，6-三-(二甲氨基甲苯)-苯酚(TDAMP)：1重量份和二甲胺基丙胺：1重量份。
Claims (10)
1.本发明公开了一种用环氧化合物对动物皮胶原进行改性的方法，其特征是在25～65℃温度下，将100重量份的皮胶原，置于50～2000重量份的环氧化合物溶液或乳液中，溶液或乳液的pH值为7.5～11.5，含环氧化合物1～20重量份，浸泡10～30min；然后加入0.1～3.0重量份的催化剂，处理10～60min；恒温或分阶段升温处理2～72h；再用0.2～3.0重量份的氨基酸在25～60℃下处理0.5～4h；用酸或酸式盐将浴液pH调至中性；再用磷酸盐缓冲溶液(PBS)清洗24～48h，反复2次；最后水洗24～48h，反复2次。
2.权利要求1所述的环氧化合物，是指单环氧合物、双环氧化合物和多环氧化合物。如苯基缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、丙三醇缩水甘油、季戊四醇缩水甘油醚、聚丙三醇缩水甘油醚、山梨糖醇四缩水甘油醚等。既可以是单一的环氧化合物，也可以是多种环氧化合物的混合物。
3.权利要求1所述的动物皮胶原是指猪、牛、羊等动物皮及其水解产物，可以是皮、皮纤维、胶原、明胶、水溶性明胶、多肽等。
4.权利要求1所述的溶液或乳液，其中溶液是指将环氧化合物溶解于溶剂中，该溶剂是指能够溶解所用环氧化合物的物质，可以是水、丙酮、二甲基亚砜等；其中乳液是指加入表面活性剂，将环氧化合物在水中乳化而得到的乳液，制备乳液所使用的表面活性剂可以是平平加、吐温-60等。
5.权利要求1所述的催化剂是指可以加速环氧化合物与皮胶原反应的物质，包括水杨酸、三乙醇胺、二甲胺基丙胺、氟硼酸锌、2，4，6-三-(二甲氨基甲基)-苯酚(TDAMP)等。
6.权利要求1所述的氨基酸，是指甘氨酸、谷氨酸、赖氨酸、天门冬氨酸等。
7.权利要求1中所述的pH值为7.5～11.5的环氧化合物溶液或乳液中，该pH可以直接使用该pH值的缓冲溶液，如NaOH-Na2CO3缓冲溶液，磷酸盐缓冲溶液；亦可使用氢氧化钠、纯碱等调节而得。
8.权利要求1中所述的酸或酸式盐，可以是硫酸铵、氯化铵、甲酸、盐酸等。
9.一种采用权利要求1～8之一所述一种用环氧化合物对动物皮胶原进行改性的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)浸透
将环氧化合物1～20重量份加入到50～2000重量份的溶剂中，搅拌使环氧化合物溶解；或将环氧化合物1～20重量份，加入到50～2000重量份的水和0.5～5.0重量份的乳化剂中，搅拌使环氧化合物充分乳化。将该乳液或溶液加入到100重量份的皮胶原中，室温下处理10～60min，使环氧化合物完全渗透到皮胶原中。
(2)加入催化剂
加入0.1～3.0重量份的单种或混合催化剂。该催化剂是水杨酸、三乙醇胺、二甲胺基丙胺、氟硼酸锌、2，4，6-三-(二甲氨基甲基)-苯酚(TDAMP)等中的一种或多种的混合物。然后搅拌10～60min，使催化剂渗入皮胶原中。
(3)调节pH值
可直接使用规定pH的缓冲溶液作为(1)中的浴液，如pH为10.0的NaOH-Na2CO3缓冲溶液，或pH为10.5的磷酸盐缓冲溶液，此时可省去本步骤；亦可缓慢加入0.1～3.0重量份的碳酸钠或0.1～1.0重量份的NaOH，将浴液pH值提高到7.5～11.5。处理30～60min，使皮胶原内外pH值均匀。
(4)提高温度
升温时可直接一次加热至35～65℃，处理2～72h；亦可采用分阶段升温的方法，如先将温度升高到25～47℃，反应一段时间(如4～12h)后，待收缩温度升高以后，再将温度升高到47～65℃反应1～6h。
(5)氨基酸处理
在以上浴液中加入0.2～2.0重量份的氨基酸处理。可采用35～50℃较长时间(2～12h)处理，或50～75℃短时间(1～4h)处理。
(6)脱碱
将氨基酸处理废液倒掉，加入50～300重量份的溶剂和0.1～5.0重量份的盐酸、氯化铵、硫酸铵等，使pH值降至6.5～7.5。
(7)清洗
采用pH值为7.4的PBS溶液和水进行多次清洗，以尽量除去无用物。
10.权利要求1所述一种用环氧化合物对动物皮胶原进行改性的方法，其特征在于该改性方法可用于皮革行业中猪、牛、羊等动物皮的加工或皮胶原类生物医学材料的制备中。
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