劉素清，韓昕 ，喬一凡，周裕仙，李靜怡，孫淼

（1.山東省皮革工業(yè)研究所，山東 濟南 250021；2.煙臺大學化學化工學院，山東 煙臺 264005）

1 引言

目前，皮革工業(yè)已經(jīng)成為我國輕工業(yè)的第二大產(chǎn)業(yè)，在帶來大量外匯收入的同時也造成了一定的環(huán)境問題。一方面，在制革鞣制加工過程中，減少鉻鞣劑的使用或開發(fā)無鉻鞣劑成為現(xiàn)代皮革工業(yè)迫切需要解決的問題。另一方面，制革行業(yè)擁有以膠原蛋白為主的豐富蛋白質資源，開發(fā)其在新領域的應用也有利于制革行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

近年來，超支化聚合物由于其特有的結構性質，得到了極大的關注[1-5]。而具有生物相容性且同時含有非傳統(tǒng)生色團的熒光超支化聚合物也已成為了研究熱點之一，在生物、醫(yī)藥及組織工程和生物成像等領域都有了較好的應用[6-9]。超支化聚合物具有大量的端基官能團，結構高度支化且呈三維球狀，具有低粘度溶解性好分子間無纏結等優(yōu)點，與傳統(tǒng)皮革鞣劑相比其豐富的官能團能夠與皮革膠原纖維分子上的端基活性基團發(fā)生化學鍵結合，大幅度提高了與膠原蛋白結合的反應能力，達到對膠原纖維改性的目的[7]。

針對非傳統(tǒng)生色團的熒光聚合物的研究多以聚酰胺的樹枝狀或超支化聚合物展開[10，11]。其反應機理是以1-（2-氨基乙基）哌嗪和二丙烯酸酯進行邁克爾加成反應，合成過程中通過改變反應條件和投料比，調控超支化聚合物末端的伯仲叔胺基團的含量及比例[12，13]。根據(jù)對樹狀聚合物聚酰胺功能團的淬滅實驗[12]發(fā)現(xiàn)，叔胺是胺基聚合物中的生色團，國內外研究結果表明針對只含有叔胺生色團的超支化聚合物材料的研究還較少。制備含有叔胺生色團的超支化聚合物與膠原蛋白結合，可以在提高膠原蛋白穩(wěn)定性的同時，開發(fā)新型材料，拓展其應用范圍。

本論文以AB2型叔胺N-二羥乙基-3-胺甲基丙酸酯為多官能團單體原料，以四丁基鈦酸酯為催化劑，通過縮聚反應合成出系列分子量的水溶性叔胺型超支化聚合物。超支化聚合物高分子進入經(jīng)過預處理的皮子內，與皮膠原蛋白反應，其大量的活性基團與皮膠原蛋白的側鏈上的活性基團相結合，或者積聚在皮革膠原纖維之間、覆蓋在皮革纖維的表面，通過交聯(lián)、纏結或吸附作用形成網(wǎng)格，從而對皮革起到鞣制的作用[14-16]，提高皮膠原的綜合性能。由于叔胺基超支化聚合物與膠原蛋白親和力強，毒性小，改性后膠原蛋白在新材料、生物醫(yī)藥方面將具有廣闊的應用前景。

2 實驗部分

2.1 實驗原料

四丁基鈦酸酯Ti(OBu)4（分析純）、丙烯酸甲酯（分析純）、二乙醇胺（分析純）、甲醇（分析純）和山羊酸皮（自制）。

2.2 儀器和表征

1H NMR采用300 MHz核磁共振儀（Bruker DRX-300），用CDCl3或D2O作為溶劑、四甲基硅作內標在室溫下進行測試；熒光激發(fā)光譜（Perkin-Elmer LS55）測量在室溫條件下完成，測試條件：1 mg/mL水溶液，λex=375 nm；以二甲基亞砜為溶劑，線型苯乙烯為標準試樣，采用凝膠滲透色譜（GPC）（Waters）測定HMEAPs的分子量及分子量分布。皮革收縮溫度采用MSW-YD4型數(shù)字式皮革收縮溫度測定儀（陜西科技大學陽光電子研究所）測定。皮革增厚率采用威海市量具廠有限公司皮革測厚儀測定。

2.3 超支化聚合物縮聚單體N，N-二羥乙基-3-胺丙酸甲酯（MBAP）及叔胺超支化聚合物（HMEAP）的合成[17]

圖2 水溶性超支化聚合物HMEAP的合成

在50 mL兩頸圓底燒瓶中加入0.1 mol二乙醇胺和0.102 mol丙烯酸甲酯，并與10 mL甲醇相溶，在氮氣保護下，于室溫攪拌30分鐘后，升溫至35℃，繼續(xù)反應4小時。反應結束后，冷卻至室溫，真空抽出低沸點雜質，得到無色油狀單體產(chǎn)物MBAP（合成路線見圖1），產(chǎn)率約為98.5%。核磁結果表明1H NMR(CDCl3):3.67(2H，CH2O H)，3.55(3H，C H 3)，3.45（4H，—C H 2OH）；2.73（2H，—N—C H 2—CH2—COO—)，2.50（4H，—N—C H 2—CH2OH）；2.37（2H，—CH2—COO—）。

圖1 超支化聚合物縮聚單體MBAP的合成

在25 mL三口燒瓶中加入0.5 mmol四丁基鈦酸酯和25 mmol MBAP，在氮氣保護下，130℃攪拌反應3小時，然后在真空（250毫米汞柱）條件下繼續(xù)反應30分鐘。冷卻到室溫，再加入0.25 mmol Ti(OBu)4升溫至130℃后在高真空（10毫米汞柱）下攪拌，通過改變反應時間1、3、5和10小時，得到系列不同分子量的叔胺超支化聚合物HMBAP1、HMBAP3、HMBAP5、HMBAP10。將產(chǎn)物溶于10 mL甲醇中，過濾后在乙醚中沉淀，真空抽濾除去低沸點雜質。

2.4 HMBAP對膠原蛋白的改性

將酸皮稱重，液比200%，配置一定pH的緩沖溶液，浸泡30 min，加入一定質量的超支化聚合物HMBAPs，在一定溫度下鞣制一定時間，然后取出皮子測其厚度及收縮溫度。分別考察HMBAPs分子量、體系pH、超支化聚合物用量、鞣制時間、鞣制溫度對其改性膠原蛋白的影響。

3 結果與討論

3.1 叔氨基超支化聚合物HMBAPs的表征

將系列分子量HMBAPs GPC結果列于表1，其重均分子量分布從9600～20070，由叔胺超支化聚合物HMBAPs的熒光光譜圖中（圖3）可以看出，其熒光的相對強度隨分子量的增加而增加[18]。這是因為熒光強度與熒光基團的碰撞松弛速率和淬滅有很大關系[19]，一般情況下分子量越小，超支化聚合物分子鏈活動性越好[20]，碰撞松弛速率越大，導致分子熒光性能減弱。

表1 系列分子量HMBAPs GPC結果

圖3 系列分子量HMBAPs的熒光光譜

3.2 不同分子量超支化聚合物HMBAPs對鞣制效果的影響

在與皮膠原作用的過程中，高分子材料的分子量對鞣制效果影響較大，圖4是系列分子量HMBAPs鞣制后皮革的增厚率及收縮溫度的變化結果。從圖中可以看出隨著分子量增加，增厚率和收縮溫度均呈現(xiàn)增加的趨勢。這是因為超支化聚合物的分子量越大，分子中的活性基團越多，能夠與膠原蛋白反應的活性位點數(shù)量增加，導致鞣制后收縮溫度增加。增厚率反映了高分子進入膠原蛋白后對皮膠原纖維的填充程度，大分子能夠更好地填充膠原纖維間隙，能夠有較好的填充效果。但是隨著分子量進一步增加，HMBAP10的鞣后增厚率和收縮溫度增加值略有降低，這可能是因為分子量過大導致其滲透性能降低，影響了其與膠原蛋白的結合，因此根據(jù)實驗結果選擇HMBAP5，并進一步優(yōu)化其與膠原作用的條件。

圖4 不同分子量HMBAPs對鞣制效果的影響（鞣制pH為5、聚合物用量4%、改性時間4 h、反應溫度25℃）

3.3 不同pH對膠原蛋白改性效果的影響

圖5是pH對HMBAP5鞣制后收縮溫度及增厚率的影響結果，由圖可以看出，一開始收縮溫度、增厚率隨著pH的升高而升高，在pH為5～6時收縮溫度增加量及增厚率達到最大值，繼而減小。這是由于超支化聚合物在溶液中的尺寸受溶液的pH影響，有研究表明，溶液的pH發(fā)生改變后，超支化聚合物的樹形分子在溶液中的尺寸可以增加或減少50%；在弱酸性條件下利于HMBAP5向皮內滲透，但pH過低會影響皮膠原纖維的結構強度，也不利于膠原的改性；但若pH過高，鞣液中配合物分子太大不利于滲透結合[21]。因此，綜合考慮選擇最佳pH為5～6。

圖5 pH對HMBAP5鞣制后皮革收縮溫度及增厚率的影響（聚合物用量4%、改性時間4 h、反應溫度25℃）

3.4 聚合物用量對膠原蛋白改性效果的影響

圖6是不同聚合物用量對改性后膠原蛋白收縮溫度及增厚率的影響結果，由圖可以看出，在HMBAP5用量為6%時，增厚率和收縮溫度增加量均達到最大值，且隨著其用量的進一步增大沒有明顯升高。當超支化聚合物用量太少時，鞣制的效果不太明顯，當用量超過6%時反而增加了成本。因此，綜合考慮收縮溫度、增厚率和經(jīng)濟效益，選擇最佳聚合物用量為6%。

圖6 HMBAP5用量對鞣制后皮革收縮溫度及增厚率的影響（鞣制pH為5、改性時間4 h、反應溫度25℃）

3.5 改性時間對膠原蛋白改性效果的影響

圖7是鞣制時間對膠原蛋白收縮溫度及增厚率的影響結果，從圖中可以看出，鞣制開始時收縮溫和增厚率隨著反應時間的增大而增加，但反應時間達到4 h之后增厚率和收縮溫度沒有明顯升高。這是因為隨著時間的增加，超支化聚合物的分子不斷滲入生皮內，其端基與皮膠原側鏈上的活性基團結合增多，對膠原的改性效果越來越明顯，從而使收縮溫度和增厚率逐漸增加；當反應到達4 h后，其與膠原的結合基本完成，再延長時間已沒有意義，由此選擇最佳反應時間為4 h。

圖7 鞣制時間對HMBAP5鞣制后皮革收縮溫度及增厚率的影響（鞣制pH為5、聚合物用量6%、反應溫度25℃）

3.6 反應溫度對膠原蛋白改性效果的影響

圖8是不同反應溫度對改性后膠原蛋白收縮溫度及增厚率的影響結果，由圖可以看出，一開始收縮溫度隨著反應溫度的增大而升高，但35℃之后隨著反應溫度的增大收縮溫度升高不明顯；增厚率隨著反應溫度的增長而增加，但之后沒有明顯增加。當溫度升高時，聚合物向皮內滲透的速率增大，與皮膠原結合的速度及結合量都會增加，然而當溫度過高時會對皮革粒面造成影響，使粒面粗糙。綜合考慮，選擇最佳反應溫度為25～35℃。

圖8 鞣制溫度對HMBAP5鞣制后皮革收縮溫度及增厚率的影響（鞣制pH為5、聚合物用量6%、反應時間4 h）

4 結論

通過縮聚法制備了不同分子量的熒光超支化聚合物（HMEAPs），并探索了其對皮膠原蛋白的改性條件，實驗結果表明，當HMEAP重均分子量約為17000，其鞣制效果最佳，與膠原蛋白作用條件為pH為5～6，聚合物用量約為6%，最佳反應溫度為25～35℃，反應時間為4h。實驗結果表明，HMEAP鞣制后皮革收縮溫度可提高22.1℃，增厚率可達到35.6%。由于HMEAP具有低毒性及優(yōu)良的生物相容性，改性后膠原蛋白在生物醫(yī)藥方面具有廣闊的應用前景。