膠原蛋白纖維結(jié)構(gòu)與性能研究

蘇玉恒，孔繁榮

(河南工程學院 紡織學院，河南 鄭州450007)

膠原蛋白廣泛存在于動物的皮、骨、軟骨、牙齒、肌腱、韌帶和血管中，起著支撐器官、保護機體的重要作用，也是組成細胞間質(zhì)重要的功能蛋白質(zhì).由于其獨特的理化性質(zhì)和優(yōu)良的生物相容性，在許多領(lǐng)域得到了廣泛應用［1］.膠原蛋白與殼聚糖共混紡絲得到的復合纖維和皮膚有較好的親和性能，具有穿著更加舒適的特點，同時具有可生物降解和廣譜抗菌性能［2］，特別是經(jīng)特殊方法制得的膠原蛋白殼聚糖復合材料，已用于多種組織工程支架.早在20世紀80年代，國外已開展了膠原蛋白復合纖維的研究，特別是膠原蛋白與聚丙烯腈、聚乙烯醇共混制備復合纖維.本研究所用膠原蛋白纖維是由上海全宇生物科技遂平有限公司開發(fā)生產(chǎn)的一種動物膠原蛋白及聚乙烯醇共混的一種可降解的環(huán)保纖維.

1 實驗部分

1.1 實驗材料

膠原蛋白改性纖維1.5 dtex×38 mm，由上海全宇生物科技遂平有限公司提供.

1.2 方法

采用FEIQuanta 250掃描電子顯微鏡，觀察纖維縱向與橫向的表面結(jié)構(gòu).紅外光譜采用耐施670傅里葉紅外光譜儀測試，掃描次數(shù)為32，分辨率為4 cm-1，波數(shù)為400～4 000 cm-1.單纖維強力采用LLY-06B型電子纖維強力儀進行測試，測試項目包括一次拉伸、松弛和蠕變，拉伸速度為10 mm/min，隔距為10 mm，一次拉伸實驗的1，2，3定伸長分別為4%，6%和10%，預加張力為0.3 cN，松弛測試的施加張力為3 cN，蠕變測試的定伸長設(shè)定3%，測試根數(shù)30根.纖維摩擦系數(shù)采用Y151型纖維摩擦系數(shù)儀，測試轉(zhuǎn)速為30 r/min.回潮率采用YG747型通風式快速八籃恒溫烘箱，烘箱溫度為(105±2)℃，試樣質(zhì)量為50 g.纖維比電阻采用YG321型纖維比電阻測試儀，測試纖維質(zhì)量為15 g.試樣實驗前在溫度(20±1)℃、相對濕度(65±3)%的標準溫濕度環(huán)境下放置24 h后進行預調(diào)濕.

2 結(jié)果與討論

2.1 膠原蛋白纖維的形態(tài)

圖1和圖2為膠原蛋白纖維在掃描電子顯微鏡4 000倍下的縱向結(jié)構(gòu)和800及10 000倍下的橫向結(jié)構(gòu)照片.由圖可知，膠原蛋白纖維的截面呈扁圓形或腰圓形，纖維結(jié)構(gòu)較為松散，內(nèi)部有微孔或縱向的裂隙;纖維縱向較平滑，但有明顯的縱向溝紋，并伴有散布的與內(nèi)部貫通的裂紋，膠原蛋白的形態(tài)結(jié)構(gòu)表明纖維有一定的抗變形和吸濕、透氣、導濕的特點.

圖1 膠原蛋白纖維4 000倍縱向結(jié)構(gòu)Fig.1 SEM image of the length w ise direction of collagen fibers(×4 000)

圖2 膠原蛋白纖維800倍與10 000倍橫向結(jié)構(gòu)Fig.2 SEM image of the cross section of collagen fibers(×800 and×10 000)

2.2 紅外光譜

圖3為膠原蛋白纖維與聚乙烯醇纖維的紅外光譜圖，兩者的特征峰基本接近，說明纖維的主要成分仍然是聚乙烯醇.膠原蛋白的三級結(jié)構(gòu)呈獨有的右手三螺旋構(gòu)型，所以紅外光譜的酰胺A、酰胺Ⅰ和酰胺Ⅲ具有明顯特征［3］.在X—H伸縮振動區(qū)(4 000～2 500 cm-1)膠原蛋白纖維出現(xiàn)4個峰，其中前3個峰與聚乙烯醇的位置相近，膠原蛋白纖維出現(xiàn)在3 290 cm-1，2 940 cm-1和2 910 cm-1，聚乙烯醇則出現(xiàn)在3 460 cm-1，2 940 cm-1和2 910 cm-1，顯然3 290 cm-1是膠原蛋白酰胺A譜帶由N—H的伸縮振動引起的.正常的膠原蛋白纖維酰胺A譜帶應在3 320 cm-1(牛源Ⅰ膠原蛋白)處，但與聚乙烯醇共混后，其中的聚乙烯醇的羥基的氫鍵與膠原蛋白的氫基結(jié)合使特征峰寬化并向低波數(shù)移動，從而被拉低到現(xiàn)在的位置.另外兩個峰則是聚乙烯醇的羥基吸收峰，膠原蛋白纖維在2 850 cm-1處出現(xiàn)一個明顯吸收峰，為醛基吸收峰，表明共混的聚乙烯醇縮甲醛纖維含有更多醛基.

在雙鍵區(qū)(2 000～1 500 cm-1)兩種纖維出現(xiàn)明顯差異，膠原蛋白纖維在1 640 cm-1和1 540 cm-1處出現(xiàn)2個峰，其中在1 640 cm-1處僅有一個峰，這是膠原蛋白的酰胺Ⅰ譜帶的明顯特征，1 540 cm-1的峰為酰胺Ⅱ譜帶，由異相N—H面內(nèi)彎曲振動和C—N伸縮振動共同產(chǎn)生.指紋區(qū)(1 500～400 cm-1)譜帶的振動組成比較復雜，但在1 024 cm-1處的吸收峰是酰胺Ⅲ的典型譜位.

膠原蛋白纖維紅外光譜與聚乙烯醇纖維特征峰接近，但其酰胺A、酰胺Ⅰ和酰胺Ⅲ等膠原蛋白特征峰明顯，其位置和特點反映了其三螺旋結(jié)構(gòu)的基本特征，表明共混膠原蛋白纖維中的蛋白質(zhì)具有膠原蛋白的特征.

圖3 膠原蛋白纖維(a)與聚乙烯醇纖維(b)紅外光譜Fig.3 Infrared spectroscopy of collagen fiber(a)and rinylon fiber(b)

2.3 纖維的力學性能

表1為膠原蛋白纖維與其他幾種蛋白質(zhì)纖維和聚乙烯醇纖維的力學性能指標.膠原蛋白纖維具有較高的強度、初始模量和摩擦系數(shù)，但伸長率偏低.因此，膠原蛋白纖維產(chǎn)品在強力和保型性方面有較好的表現(xiàn)，但手感相對于其他蛋白質(zhì)纖維較為粗糙硬挺.由于其較大的摩擦系數(shù)在紡紗加工過程中會有較大的摩擦阻力，在開松、梳理和牽伸過程中會有一定的困難，所以在紡紗前應適當添加油劑，以改善其加工性能.

表1 膠原蛋白纖維與其他幾種纖維的力學性能對比Tab.1 Comparison ofmechanical property

2.4 膠原蛋白纖維的吸濕性

膠原蛋白纖維的回潮率為6.2%，低于棉等天然纖維，但比一般化學合成纖維如聚酯纖維(0.4%)、聚丙烯腈纖維(4.5%)、聚乙烯醇纖維(5.0%)和聚丙烯纖維(1.0%)大，特別是膠原蛋白的共混提高了聚乙烯醇纖維的吸濕性，與棉的回潮率進一步接近.良好的吸濕性會使纖維的導電性增加，介電常數(shù)變大，抗靜電性能增加，這給紡織加工和正常使用提供了方便，同時作為服用面料也有較好的穿著舒適性.

2.5 膠原蛋白纖維的導電性能

膠原蛋白纖維的質(zhì)量比電阻為7.125×109Ω·g/cm2，遠大于棉纖維和羊毛纖維，與聚乙烯醇纖維基本一致.一般紡織纖維質(zhì)量比電阻在107Ω·g/cm2以下為好，否則應采取防靜電的措施，特別是109Ω·g/cm2以上的就必須采取防靜電措施了.因此，膠原蛋白纖維紡紗加工過程中也應采取抗靜電措施.

3 結(jié)論

膠原蛋白纖維是對畜牧、皮革等產(chǎn)業(yè)廢棄物的再利用，不占用和浪費資源，是一種適應現(xiàn)代可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)品.膠原蛋白纖維具有良好的吸濕透氣性和強力，初始模量較大，紡紗性能較好，穿著舒適，比大多數(shù)蛋白質(zhì)纖維產(chǎn)品的保型性和挺括性好，適用于床上用品、衫衣及針織內(nèi)衣等產(chǎn)品的開發(fā).

［1］安鋒利，王建林，權(quán)美平，等.膠原蛋白的應用及其發(fā)展前景［J］.貴州農(nóng)業(yè)科學，2011，39(1):8-11.

［2］錢江，湯克勇，曹健，等.一種新型綠色纖維——膠原蛋白與殼聚糖共混纖維［J］.中國皮革，2004，33(11):4-6.

［3］陳靜濤，趙玉萍，徐政，等.重組膠原蛋白與牛源Ⅰ型膠原蛋白紅外光譜研究［J］.材料導報，2008，22(3):119-121.