, ，

(1.中原工學(xué)院，鄭州 450007；2.鄭州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450052)

膠原蛋白具有優(yōu)良的生物相容性和低抗原性，其纖維狀結(jié)構(gòu)有利于組織培養(yǎng)中的細胞黏附、增殖和分化等功能，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用價值[1-4]。膠原雖然以其優(yōu)良的性能受到生物醫(yī)學(xué)界的歡迎,但也存在一些不足之處,如可紡性較差、力學(xué)性能差、在體內(nèi)降解吸收過快、不能與組織細胞生長繁殖的速度相匹配等[5]。為了改善膠原材料的性能,需要將膠原與其他合成材料、天然生物材料復(fù)合來制備膠原基復(fù)合材料[6-7]。聚乙烯醇( PVA) 是一種無毒性、具有生物可降解性和良好生物相容性的高分子材料，其力學(xué)性能優(yōu)良、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、易于成型，可作為醫(yī)藥、化妝品行業(yè)中的功能材料[8]。因此，以聚乙烯醇和膠原為原料制備復(fù)合材料，成為一種簡單有效的途徑。溶液流變性能與其紡絲性能和成膜流動性能有一定的關(guān)系，所以有必要研究混合液的流變性能。本文利用冪律函數(shù)模型討論了混合比對溶液流變性能的影響，并對復(fù)合膜的性能進行了分析，為膠原蛋白/聚乙烯醇復(fù)合膜的制備提供參考數(shù)據(jù)。

1 實 驗

1.1 實驗材料

聚乙烯醇(簡稱PVA)的聚合度為1 750±50,天津市天大化工實驗廠生產(chǎn)。采用胃蛋白酶法從豬皮中提取膠原蛋白，經(jīng)過纖維素半透膜透析，冷凍干燥成膠原海綿狀備用。

1.2 COL/PVA混合溶液的配制及復(fù)合膜的制備

膠原蛋白乙酸溶液的制備：將冷凍干燥后的膠原海綿加入到0.5 mol/L的乙酸溶液中，室溫下磁力攪拌溶解，配成10 g/L的膠原蛋白乙酸水溶液。

PVA溶液的制備：稱取一定量的粉末狀PVA-1 750，放入三口瓶中，并加入適量的去離子水，在90 ℃水浴條件下加熱，并電動攪拌，充分溶解2 h，配成8 wt%的PVA水溶液。

把上述兩種溶液以不同的質(zhì)量比混合，室溫攪拌2 h，制備COL/PVA質(zhì)量比分別為純COL、8/2、2/8、純PVA的4種溶液，并用離心機對溶液進行離心脫泡，然后進行流變性能研究。

COL/PVA復(fù)合膜是在PVC板上通過流延法自然干燥而成。

1.3 COL/PVA共混液的流變性能測試

利用AR-1500(TA, 美國)流變儀對不同質(zhì)量配比的COL/PVA共混液進行穩(wěn)態(tài)流變性能測定，測試溫度為25 ℃，剪切速率為10～500 s-1,選用平板直徑為40 mm，間隙設(shè)定為1 mm。

1.4 COL/PVA復(fù)合膜的紅外表征

利用FTIR(NICOLET，美國)對不同質(zhì)量配比的COL/PVA復(fù)合膜以0.48 cm-1的掃描速率在 650～4 000 cm-1范圍內(nèi)掃描。

1.5 COL/PVA復(fù)合膜的熱重分析

利用 NETZSCH TG 209 F1 對不同質(zhì)量配比的COL/PVA復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性進行測定，加熱溫度范圍為25～600 ℃，加熱速率為 20 K/min，氮氣為保護氣和吹掃氣。

2 結(jié)果討論

2.1 COL/PVA混合液的流變性能

溶液剪切速率與表觀黏度的關(guān)系曲線即流動曲線，是對紡絲和成膜過程中溶液流動狀況的反映。同時，流動曲線也是共混溶液分子結(jié)構(gòu)(如相對分子量、相對分子量分布以及鏈結(jié)構(gòu)化程度)的函數(shù)[5]。COL/PVA混合液的流動曲線如圖1所示。

設(shè)置7個飼料蛋白梯度，每梯度設(shè)3個平行組，每組40尾大刺鰍幼魚。試驗用水為經(jīng)充分曝氣24 h以上的井水，利用電加熱棒維持水溫為27～28℃，溶解氧≥6.0 mg/l，氨氮＜0.2 mg/l，亞硝酸鹽＜0.02 mg/l，pH值保持7.3±0.3。每日7:00和16:00投喂試驗飼料，日投餌量為魚體總重的2%～2.5%，攝食結(jié)束2 h后虹吸排污，日換水量為70%。每日記錄飼料攝食量和死亡魚尾數(shù)，每隔10 d每組抽樣6尾大刺鰍稱重，調(diào)整飼料投喂量，試驗持續(xù)60 d。

圖1 COL/PVA混合液的表觀黏度與剪切速率的關(guān)系圖

從圖1可以看出：隨著剪切速率的增加，共混溶液的表觀黏度逐漸下降，即出現(xiàn)“剪切變稀”現(xiàn)象，且膠原含量越高，“剪切變稀”現(xiàn)象越明顯，這與文獻[9]、[10]研究結(jié)果相吻合。這是因為膠原蛋白是由多種氨基酸組合而成的三股螺旋結(jié)構(gòu)，隨著膠原蛋白含量增加，共混溶液更易發(fā)生分子間的纏結(jié)，在三維空間中通過H鍵形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，隨著剪切速率的提高，共混溶液中的分子發(fā)生取向、伸展，使影響溶液流動的大分子纏結(jié)點被拆除，致使纏結(jié)點濃度減少，表觀黏度下降[5]。

利用冪律函數(shù)[11]模型方程

η=Kγn-1

(1)

來研究COL/PVA混合液的流變特點。其中：η為表觀黏度；γ是剪切速率；K為稠度系數(shù)；n為非牛頓指數(shù)，n=1時為牛頓型流體，n<1時為假塑性非牛頓流體，n>1時為膨脹性非牛頓流體。

對方程(1)兩邊取對數(shù)，即轉(zhuǎn)變?yōu)榉匠?/p>

lgη=lgK+(n-1)lgγ

(2)

表1 不同膠原含量下非牛頓指數(shù)及相關(guān)參數(shù)

通過表1可以看出，擬合方差R2都大于0.99，說明冪律函數(shù)模型比較適合該混合體系。COL/PVA混合液的非牛頓指數(shù)n值隨著膠原含量的增加而降低，說明膠原含量越大，COL/PVA混合液越偏離牛頓型流體。COL/PVA混合液的稠度系數(shù)K值隨著膠原含量的增加而升高，說明膠原含量越大，混合液中大分子間的纏結(jié)點越多，表現(xiàn)為稠度越大。可見膠原含量對COL/PVA共混溶液的流變性能影響較顯著。

2.2 COL/PVA復(fù)合膜的紅外表征

通過紅外表征，研究了COL/PVA復(fù)合膜的化學(xué)性能。COL/PVA復(fù)合膜的紅外圖譜如圖2所示。

圖2 COL/PVA復(fù)合膜的紅外圖譜

從圖2可以看出純膠原海綿的特征吸收峰為：3 292 cm-1(酰胺A帶, N-H 伸縮振動 和O-H伸縮振動)、3 083 cm-1(酰胺 B帶, C-H伸縮振動)、1 632 cm-1(酰胺Ⅰ, C-O伸縮振動)、1 548 cm-1(酰胺Ⅱ, N-H 彎曲振動和 C-N伸縮振動) 和1 238 cm-1(酰胺Ⅲ, C-N伸縮振動和 N-H 彎曲振動)。純PVA的特征吸收峰為：3 267 cm-1(O-H伸縮振動)、2 918 cm-1(C-H伸縮振動)、1 086 cm-1(C-O-H伸縮振動)。

COL/PVA復(fù)合膜的紅外吸收特征表現(xiàn)為：隨著膠原含量的增加，PVA的特征峰1 086 cm-1逐漸減弱，當(dāng)膠原與PVA混合后，3 083 cm-1(酰胺B帶)消失，而酰胺Ⅰ和酰胺Ⅱ帶峰逐漸增強，且向高波數(shù)移動，這可能是由于膠原與PVA間存在較強的氫鍵所致[12]。

2.3 COL/PVA復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性

利用熱重分析法可以研究COL/PVA復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性能。COL/PVA復(fù)合膜的TG和DTG圖如圖3所示。

從圖3可以看出純膠原存在2個失重階段：第一個失重主要是由膠原海綿中的水分蒸發(fā)所致；第二個失重是由膠原大分子鏈的熱分解所致。而純PVA膜存在3個失重階段：第一個失重階段主要是由PVA膜中的水分的蒸發(fā)所致；第二個失重階段是由PVA大分子主鏈的熱分解所致；第三個失重階段是由PVA大分子側(cè)鏈的熱分解所致[13]。COL/PVA復(fù)合膜在25～600 ℃之間也存在3個失重階段：第一個失重階段主要是由復(fù)合膜中水分的蒸發(fā)所致；第二個失重階段主要是由大分子主鏈的熱分解所致;第三個失重階段主要是由大分子側(cè)鏈的熱分解所致。利用熱重分析儀自帶熱重參數(shù)分析軟件得到COL/PVA復(fù)合膜的非等溫?zé)峤到鈪?shù)列于表2中。

圖3 COL/PVA復(fù)合膜的TG和DTG圖

表2 COL/PVA復(fù)合膜的非等溫?zé)峤到鈪?shù)

從表2中可以看出COL/PVA復(fù)合膜第二個失重階段的起始熱分解溫度和最大熱分解溫度隨著膠原含量的增加而增加，說明膠原熱穩(wěn)定性比純PVA的高，且膠原與PVA之間存在較多的分子間作用力,這與流變特性和紅外圖譜分析相一致。COL/PVA復(fù)合膜第三個失重階段的起始熱分解溫度，隨著膠原含量的增加而稍有降低，而最大熱分解溫度則先升高后降低。從熱分解殘余量可以看出，隨著膠原含量的增加，殘余質(zhì)量越大。

3 結(jié) 語

(1) 通過流變性能的研究，可以看出COL/PVA混合液屬于假塑性流體，呈現(xiàn)剪切變稀現(xiàn)象，且膠原蛋白含量對COL/PVA混合液的流變性能影響顯著，COL/PVA混合液的非牛頓指數(shù)n值隨著膠原含量的增加而降低。

(2) 紅外圖譜顯示COL/PVA復(fù)合膜沒有發(fā)生明顯的化學(xué)鍵結(jié)合，隨著膠原含量的增加，膠原的特征峰逐漸增強，且膠原與PVA之間存在較強的氫鍵結(jié)合。

(3) 隨著膠原含量的增加，COL/PVA復(fù)合膜的熱重分析殘余質(zhì)量越大，可見膠原的存在使復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性增加。

參考文獻：

[1] Wolfgang Friess.Collagen-biomaterial for Drug Delivery[J].European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 1998,45: 113-136.

[2] O’Cearbhaill E D, Barron V, Mchugh P E.Characterisation of a Collagen Membrane for Its Potential Use in Cardiovascular Tissue Engineering Applications[J].Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 2006,17: 195-201.

[3] Ashrafsh A, Henning S, Goerg H M.Polyvinyl Alcohol-collagen-hydroxyapatite Biocomposite Nanofibrous Scaffold: Mimicking the Key Features of Natural bone at the Nanoscale Level[J].Polymer, 2010, 51(4): 868-876.

[4] Purna Sai K, Mary Babu.Collagen based Dressings-a Review[J].Burns, 2000,26: 54-62.

[5] 曲健健, 但衛(wèi)華, 曾睿.膠原-聚乙烯醇共混溶液的可紡性研究[J].皮革科學(xué)與工程, 2006, 16(2): 14-17.

[6] Sionkowska A, Skopinska-Wisniewska J, Wisniewski M.Collagen-synthetic Polymer Interactions in Solution and in Thin Films[J].Journal of Molecular Liquids, 2009, 145(3): 135-138.

[7] 葉勇, 王坤余, 廖隆理.膠原蛋白-殼聚糖-聚乙烯醇共混膜的特性研究[J].中國皮革, 2003, 32(23): 1-4.

[8] DeMerlis C C, Schoneker D R.Review of the Oral Toxicity of Polyvinyl Alcohol (PVA) [J].Food and Chemical Toxicology, 2003,41: 319-326.

[9] 來國莉, 李洋, 杜宗良.PVA-膠原共混溶液的流變性能[J].四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版), 2008,40(4): 83-88.

[10] Lai G, Du Z, Li G.The Rheological Behavior of Collagen Dispersion-poly(vinyl alcohol) Blends[J].Korea-Australia Rheology Journal, 2007,19: 81-88.

[11] 顧國芳, 浦鴻汀.聚合物流變學(xué)基礎(chǔ)[M].上海: 同濟大學(xué)出版社, 2001:128-130.

[12] GAO Xi-ping, TANG Ke-yong, LIU Jie.Compatibility of Biodegradable Composites with Gelatin and Poly(Vinyl Alcohol)[C]//ICAMS 2012-4th International Conference on Advanced Materials and Systems, 2012: 261-266.

[13] Song S I, Kim B C.Characteristic Rheological Features of PVA Solutions in Water-containing Solvents with Different Hydration States[J].Polymer, 2004, 45(7): 2381-2386.

[14] Lin H, Dan W, Dan N.The Water State in Crosslinked Poly(vinyl alcohol)-collagen Hydrogel and Its Swelling Behavior[J].Journal of Applied Polymer Science, 2012, 123(5): 2753-2761.