CN107513173B - 一种有机硅改性胶原膜的制备方法 - Google Patents

一种有机硅改性胶原膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的是一种有机硅改性胶原膜的制备方法，该方法是先将动物胶原用醋酸溶液完全溶解并配制成胶原蛋白溶液，脱除气泡后流延成膜、干燥得白色透明胶原膜，然后再在常温下，将制得的胶原膜置于无机碱溶液中并加入有机硅就进行反应，结束后冲洗表面、干燥即得改性的胶原膜。该方法简单便捷，耗时非常短，对设备要求低，可以缩短制备周期，降低生产成本，还使所得胶原膜大大提高了疏水性，基本消除胶原蛋白膜应用于商业上的障碍，并避免了外源性有毒化学物质进入胶原膜内影响其可食性。

Description

一种有机硅改性胶原膜的制备方法
技术领域
本发明属于胶原膜改性制备技术领域，具体涉及一种有机硅改性胶原膜的制备方法。
背景技术
胶原是构成细胞外基质的主要成分之一，主要存在于动物体内的皮肤、骨、软骨、血管、牙齿及肌腱等组织中，占人体或其它动物体总蛋白含量的25～33％。作为天然的生物质资源，胶原具有三股螺旋结构，使得胶原具有低免疫原性、生物相容性、可生物降解性和止血修复功能等特性，并且在食品工业、临床医疗、化妆品等领域中应用的重要性和经济地位日益突出。
在低温下用胃蛋白酶提取的胶原，如周文常等(周文常但卫华廖隆理、林海、陈驰、曲健健、叶易春猪皮胶原的提取及其结构表征)将新鲜猪皮清洗去污后剪碎，低温晾干到半透明，在pH为2.0左右的缓冲液中浸泡12h，然后在4℃用干皮重0.5％的胃蛋白酶作用18h，以8 000r/min速度离心15min得到上清液，经盐析、透析处理所得。由于该酶仅作用于胶原的端肽而不作用于三股螺旋结构部分，故胶原本身不发生变性，因此胶原的相对分子质量最大(约30万)，它的成膜能力及膜的机械性能很强，加之其具有无毒、无污染、可降解等优良特性，用这种胶原制得的胶原膜可以作为包装膜、皮肤替代物、面膜用于食品、生物医学、化妆品等不同行业。虽然如此，但在用作不同材料使用时仍存在这样或那样的缺陷，如当其用作皮革成膜材料在具有手感和透湿性好优点的同时，其耐水性不好；当用作皮革复鞣填充材料在具有亲合性好的优点同时，其结合性能不好；当作为蛋白纤维的纺丝原料使用在具有吸湿性能和染色性能好的优点的同时，其可纺性能不好。而对于用于制备的胶原膜来说，最重要的问题还是胶原膜的疏水性能差，因而在制备可食性胶原包装膜方面，这已成为胶原蛋白膜应用于商业上的最大障碍。究其原因，是由于胶原分子中含有较多的氨基、羧基和羟基等亲水性基团，因此科技工作者们都在努力设法改性以减少胶原膜的亲水性，提高它的疏水性能。
目前对胶原蛋白的改性研究大概分为三类，即：物理交联改性、化学交联改性和引入聚合物改性。物理交联方法主要有光氧化法、热脱氢法和紫外辐射法。但是由于物理交联方法中反应物的量不易控制，胶原交联度低，且难以获得均匀一致的交联，因此物理交联方法目前仅作为一种辅助的改性方法。在胶原蛋白中引入聚合物的改性目前主要集中在烯类单体的接枝共聚改性，但是所得产品耐水性仍然不好。化学交联方法主要是指利用化学试剂与胶原蛋白上的羧基或氨基反应以改变胶原蛋白上的活性基团来提高疏水性的方法。如谢树忠等人(谢树忠，李国英一种丙二酸衍生物的制备及其对胶原膜的改性应用)用丙二酸、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)及二环己基碳二亚胺(DCC)在室温下反应8h，制得丙二酸NHS酯作为交联剂。在室温下将Ⅰ型牛皮胶原溶液制得的胶原膜浸泡于含丙二酸NHS酯的磷酸缓冲液(pH＝7.0)中1h。当丙二酸NHS酯的浓度为15g/L时，胶原膜的相对吸水率可降到43.2％。如Haiying Liu等人(Haiying Liu,Lu Zhao,Shidong Guo,Yu Xia,and Peng ZhouModification of fish skin collagen film and absorption property of tannicacid)将鲶鱼皮胶原蛋白溶解在0.1mol/L乙酸(10℃，12h)中，得到15g/L胶原蛋白溶液，在30℃和50％的湿度下晾干，再将25％(v/v)的戊二醛混合在胶原蛋白溶液中，这种混合物在超声下搅拌10分钟后干燥成膜。测得膜的吸水率可从未改性前的295％降到改性后的25％。戊二醛虽然能很好的提高疏水性能，但是大量研究已经证实戊二醛具有较大的细胞毒性，用其改性的胶原膜是不能用作可食性胶原包装膜。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术不足，提供一种有机硅改性胶原膜的制备方法。
为了达到用有机硅改性胶原膜的目的，本发明采用了以下技术路线来予以实现：
(1)将动物胶原用0.1-1mol/L的醋酸溶液于0～5℃下搅拌至完全溶解，并配制成5～15重量/体积胶原蛋白溶液，脱除气泡后流延成膜、干燥得白色透明胶原膜；
(2)常温下，先将1～5份制得的胶原膜置于20～100份pH为10.0～11.0的无机碱溶液中，然后加入以胶原膜重量计5.50～6.40％的有机硅，振荡反应3～5分钟，反应结束后将胶原膜取出，用水冲洗表面，干燥即得改性的胶原膜。
以上方法中所用的动物胶原为鱼皮胶原、牛皮胶原、羊皮胶原或猪皮胶原中的任一种，优选牛皮胶原或猪皮胶原。
以上方法中所用醋酸溶液优选浓度为0.3-1mol/L。
以上方法中配置的胶原蛋白溶液的浓度优选为7～15重量/体积。
以上方法中所用的干燥胶原膜用于改性之前，应用水浸泡至少3分钟，优选3～5分钟，以便于更好地改性胶原膜。
以上方法中所用的有机硅为3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-560)，2-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷(A-186)或3-(2,3-环氧丙氧)丙基甲基二乙氧基硅烷(KH-1873)中的任一种，优选3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-560)。
以上方法中所用的无机碱优选氢氧化钙、氢氧化钠或氢氧化钾中的任一种，更优选氢氧化钠。
以上方法中所述的常温为5～15℃。
以上方法制备的有机硅改性胶原膜，其表面接触角为93.5-103.7°，吸水率为134.32-145.68％。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、由于本发明方法不仅采用的是环境友好型试剂有机硅作为改性剂，且该有机硅上还含有高键能(422.2kJ/m01)的Si—O键，其有机硅氧烷的单分子体积大，内聚能密度低，易于将有机硅氧烷引入胶原分子的主链或侧链上，因而既避免了外源性有毒化学物质进入胶原膜内影响其可食性，又可以赋予胶原膜的柔软性、氧气透过性、抗血栓性等。
2、由于本发明方法通过化学反应将疏水的硅氧硅键连接到了亲水的胶原分子上，因而大大提高了胶原膜的疏水性，可使改性后的膜的吸水率从300％以上降到了200％以下，相对吸水率达到70％以下，表面接触角增加了50°以上且改性后膜的表面接触角均大于90°，可以基本消除胶原蛋白膜应用于商业上的障碍，使本发明制得的改性胶原膜有更好的市场前景。
3、由于本发明方法所限定的反应温度低于胶原本身的热变性温度，因而保留了胶原的生物学性能，不会使胶原膜的分子发生变性而影响其使用性能。
4、由于本发明方法用NaOH溶液调节体系的pH值的范围为10.0～11.0，因而能够保持胶原不变性，维持天然胶原优良的生物学性质。
5、由于本发明方法的整个操作过程比其他改性胶原膜的方法更加简单便捷，而且耗时非常短，对设备要求低，因而可以缩短制备周期，降低生产成本。
附图说明
图1为未改性胶原膜的红外光谱图和有机硅改性后胶原膜的红外光谱图。由图可见，未改性胶原膜的红外光谱图(A)中3298cm-1处是胶原的酰胺A带(——NH基伸缩振动和氢键的缔合)，而在有机硅改性后胶原膜的红外光谱图(B)中蓝移至3450cm-1处，这可能是由于与胶原分子反应时环氧基开环后生成了—OH；2926cm-1处是胶原的酰胺B带(—CH3中C—H伸缩振动)；1634cm-1处是胶原的酰胺Ⅰ带(C＝O和C—N伸缩振动)，1529cm-1处是胶原的酰胺Ⅱ带(—NH基弯曲振动)和1239cm-1处是胶原的酰胺Ⅲ带(—C＝O基弯曲振动)为胶原的特征吸收峰。且有机硅改性后胶原膜的红外光谱图(B)在1086cm-1处出现强峰，这是环氧基烷水解缩合反应引入—Si—O—Si的特征吸收峰。由此可说明，有机硅和胶原的确发生了反应，和预期的结果一样。
图2为对比例1制备的未改性胶原膜的表面接触角的照片。
图3为本发明实施例2用有机硅改性后胶原膜的表面接触角的照片。
由图2、3可见，未改性胶原膜的表面接触角为33.9°，且膜表面水滴的体积随时间的增长而逐渐减小，几分钟后水滴被胶原膜逐渐吸收，因此未改性胶原膜的表面是一个亲水可润湿的表面。而有机硅改性后胶原膜的表面接触角为101.6°，且膜表面水滴的体积随时间的增长而基本不变，是一个疏水性的表面，因此有机硅和胶原蛋白分子的反应改善了胶原膜表面的疏水性。这是因为有机硅与胶原蛋白分子的反应会消耗一部分亲水性的基团，同时有机硅水解、缩合生成的—Si—O—Si—结构也改善了胶原膜表面的疏水性。
具体实施方式
下面给出实施例以对本发明作进一步说明。有必要在此指出的是以下实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，如果该领域的技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
值得说明的是：1)以下各实施例和对比例制备的改性胶原膜的接触角是采用表面接触角测定仪(OCAH200型，德国)测试的，测试的方式是每个样品表面取3点，计算平均值；2)以下各实施例和对比例制备的改性胶原膜的吸水率是按照以下方法测试计算而得的：将1cm×1cm的胶原膜置于烘箱中干燥4h至恒重，记录干燥后膜的质量。将干燥后的胶原膜置于称量瓶内，加入10mL的去离子水浸泡24h后取出，用滤纸吸干表面的水滴，直至无液滴流下，立即称量，记录质量，然后按下式计算胶原膜的吸水率：
吸水率(％)＝(M2-M1)/M1×100
式中：M1为胶原膜浸水前的质量/g；M2为胶原膜浸水后的质量/g。
相对吸水率(％)＝改性后吸水率/改性前吸水率×100
实施例1
将鱼皮胶原用浓度为0.1mol/L的醋酸溶液于0℃水浴条件下搅拌至完全溶解，并配制成5g/L的胶原蛋白溶液，脱除气泡后流延成膜、干燥得白色透明胶原膜；在15℃下先将1份制得的胶原膜置于20份pH为10.0的NaOH溶液中，然后加入以胶原膜重量计5.52％的3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-560)，振荡反应3分钟；反应结束后将胶原膜取出，用水冲洗表面，干燥得改性的胶原膜。
所得的胶原膜的表面接触角为93.5°，膜的吸水率为142.56％。
实施例2
将牛皮胶原用浓度为0.3mol/L的醋酸溶液于2℃水浴条件下搅拌至完全溶解，并配制成10g/L的胶原蛋白溶液，脱除气泡后流延成膜、干燥得白色透明胶原膜；在10℃下先将2份制得的胶原膜置于40份pH为10.5的NaOH溶液中，然后加入以胶原膜重量计6.35％的3-(2,3-环氧丙氧)丙基甲基二乙氧基硅烷(KH-1873)，振荡反应3分钟；反应结束后将胶原膜取出，用水冲洗表面，干燥得改性的胶原膜。
所得的胶原膜的表面接触角为101.6°，膜的吸水率为138.97％。
实施例3
将猪皮胶原用浓度为0.7mol/L的醋酸溶液于5℃水浴条件下搅拌至完全溶解，并配制成7g/L的胶原蛋白溶液，脱除气泡后流延成膜、干燥得白色透明胶原膜；在5℃下先将3份制得的胶原膜置于60份pH为10.0的NaOH溶液中，然后加入以胶原膜重量计5.76％的2-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷(A-186)，振荡反应4分钟；反应结束后将胶原膜取出，用水冲洗表面，干燥得改性的胶原膜。
所得的胶原膜的表面接触角为97.9°，膜的吸水率为145.68％。
实施例4
将鱼皮胶原用浓度为0.5mol/L的醋酸溶液于0℃水浴条件下搅拌至完全溶解，并配制成10g/L的胶原蛋白溶液，脱除气泡后流延成膜、干燥得白色透明胶原膜；在12℃下先将4份制得的胶原膜置于80份pH为11.0的NaOH溶液中，然后加入以胶原膜重量计5.76％的2-(3，4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷(A-186)，振荡反应5分钟；反应结束后将胶原膜取出，用水冲洗表面，干燥得改性的胶原膜。
所得的胶原膜的表面接触角为92.1°，膜的吸水率为146.51％。
实施例5
将牛皮胶原用浓度为1mol/L的醋酸溶液于3℃水浴条件下搅拌至完全溶解，并配制成15g/L的胶原蛋白溶液，脱除气泡后流延成膜、干燥得白色透明胶原膜；在15℃下先将3份制得的胶原膜置于60份pH为10.8的NaOH溶液中，然后加入以胶原膜重量计5.52％的3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-560)，振荡反应4分钟；反应结束后将胶原膜取出，用水冲洗表面，干燥得改性的胶原膜。
所得的胶原膜的表面接触角为103.7°，膜的吸水率为134.32％。
实施例6
将牛皮胶原用浓度为0.7mol/L的醋酸溶液于0℃水浴条件下搅拌至完全溶解，并配制成13g/L的胶原蛋白溶液，脱除气泡后流延成膜、干燥得白色透明胶原膜；在5℃下先将3份制得的胶原膜置于60份pH为10.8的NaOH溶液中，然后加入以胶原膜重量计5.76％的2-(3，4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷(A-186)，振荡反应4分钟；反应结束后将胶原膜取出，用水冲洗表面，干燥得改性的胶原膜。
所得的胶原膜的表面接触角为100.2°，膜的吸水率为140.44％。
实施例7
将猪皮胶原用浓度为1mol/L的醋酸溶液于5℃水浴条件下搅拌至完全溶解，并配制成10g/L的胶原蛋白溶液，脱除气泡后流延成膜、干燥得白色透明胶原膜；在8℃下先将5份制得的胶原膜置于100份pH为10.8的NaOH溶液中，然后加入以胶原膜重量计6.35％的3-(2,3-环氧丙氧)丙基甲基二乙氧基硅烷(KH-1873)，振荡反应5分钟；反应结束后将胶原膜取出，用水冲洗表面，干燥得改性的胶原膜。
所得的胶原膜的表面接触角为100.4°，膜的吸水率为140.19％。
对比例1
将牛皮胶原用浓度为0.3mol/L的醋酸溶液于2℃水浴条件下搅拌至完全溶解，并配制成10g/L的胶原蛋白溶液，脱除气泡后流延成膜、干燥得白色透明胶原膜。
所得的胶原膜的表面接触角为33.9°，膜的吸水率为306.30％。通过与实施例2对比可知，有机硅改性可使胶原膜的表面接触角增加67.7°，吸水率降低了167.33％，相对吸水率为45.37％。
对比例2
将猪皮胶原用浓度为1mol/L的醋酸溶液于5℃水浴条件下搅拌至完全溶解，并配制成10g/L的胶原蛋白溶液，脱除气泡后流延成膜、干燥得白色透明胶原膜。
所得的胶原膜的表面接触角为35.6°，膜的吸水率为310.74％。通过与实施例7对比可知，有机硅改性可使胶原膜的表面接触角增加64.8°，吸水率降低了170.55％，相对吸水率为45.11％。
对比例3
将鱼皮胶原用浓度为0.5mol/L的醋酸溶液于0℃水浴条件下搅拌至完全溶解，并配制成10g/L的胶原蛋白溶液；脱除气泡后流延成膜、干燥得白色透明胶原膜。
所得的胶原膜的表面接触角为37.1°，膜的吸水率为309.88％。通过与实施例4对比可知，有机硅改性可使胶原膜的表面接触角增加55°，吸水率降低了163.37％，相对吸水率为47.28％。

Claims (8)

1.一种有机硅改性胶原膜的制备方法，其特征在于该方法的工艺步骤和条件如下：
（1）将动物胶原用0.1-1mol/L的醋酸溶液于0～5℃下搅拌至完全溶解，并配制成5～15g/L胶原蛋白溶液，脱除气泡后流延成膜、干燥得白色透明胶原膜；
（2）常温下，先将1～5份制得的胶原膜置于20～100份pH为10.0～11.0的无机碱溶液中，然后加入以胶原膜重量计5.50～6.40%的有机硅，振荡反应3～5分钟，反应结束后将胶原膜取出，用水冲洗表面，干燥即得改性的胶原膜，
其中所用的有机硅为3-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷、2-（3,4-环氧环己基）乙基三甲氧基硅烷或3-（2,3-环氧丙氧）丙基甲基二乙氧基硅烷中的任一种。
2.根据权利要求1所述的有机硅改性胶原膜的制备方法，其特征在于该方法中所用的动物胶原为鱼皮胶原、牛皮胶原、羊皮胶原或猪皮胶原中的任一种。
3.根据权利要求1或2所述的有机硅改性胶原膜的制备方法，其特征在于该方法中配置的胶原蛋白溶液的浓度为7～15 g/L。
4.根据权利要求1或2所述的有机硅改性胶原膜的制备方法，其特征在于该方法中干燥胶原膜用于改性之前，应用水浸泡至少3分钟。
5.根据权利要求3所述的有机硅改性胶原膜的制备方法，其特征在于该方法中干燥胶原膜用于改性之前，应用水浸泡至少3分钟。
6.根据权利要求1或2所述的有机硅改性胶原膜的制备方法，其特征在于该方法中所述常温为5～15℃。
7.根据权利要求3所述的有机硅改性胶原膜的制备方法，其特征在于该方法中所述常温为5～15℃。
8.根据权利要求5所述的有机硅改性胶原膜的制备方法，其特征在于该方法中所述常温为5～15℃。
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Title
Studies on the Mechanical Properties of Gelatin and Its Blends with Vinyltrimethoxysilane: Effect of Gamma Radiation;Mubarak A. Khan等;《Polymer-Plastics Technology and Engineering》;20090722;第48卷(第8期);808-813 *
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