一种明胶的改性方法与流程

本发明涉及生物医用材料技术领域，尤其涉及一种明胶的改性方法。

背景技术：

明胶泛指动物胶原的水解产物，是一种天然的高分子材料，由于具有优异的生物相容性和可降解性，近年来被广泛应用于很多领域。对于明胶来说，其来源广泛、价格便宜、环境友好、绿色无毒，是一种极具应用价值的天然高分子材料，然而单纯的明胶存在着热稳定性低、机械性能差、易水解等缺点，不能直接用作市场应用材料。以明胶分子中氨基酸残基上丰富的功能基团为突破口，对其进行化学改性使其获得更高的溶解性和可反应性，使其能够获得更高的应用价值和更广阔的应用前景。

明胶在加热条件下可溶于水，但在体温下且当浓度较高时往往会因物理交联而形成一种机械性能较差的物理凝胶。明胶在加热条件下溶解于水的过程对于特定的应用场景来说不够理想。同时，这种物理凝胶的热稳定性能较差，在加热的条件下可以再次溶解，因此，为制备更加稳定的凝胶，现有的技术中常对明胶进行物理交联或者化学交联以提高形成凝胶的热稳定性能或改善其他方面性能，较多的是采用化学交联方式，常见的明胶化学交联剂包括甲醛、乙二醛、戊二醛、1,6-己二异氰酸酯、丁二烯二环氧化物、顺丁烯二酸、多巴胺盐酸盐等。这样的化学交联往往涉及生物不相容的化学试剂，并不能满足生物医用材料领域的需要。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种明胶的改性方法。本发明提供的改性方法能够提高明胶的溶解性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种明胶的改性方法，包括以下步骤：

将明胶溶液与甲基丙烯酸酐混合进行甲基丙烯酸酐化学改性，得到改性的明胶甲基丙烯酸酯；

将所述改性的明胶甲基丙烯酸酯的水溶液与碱性物质混合，得到反应液；

向所述反应液中滴加酸酐类化合物进行分子内二酸酐化学修饰，所述酸酐类化合物含有分子内酸酐官能团。

优选地，所述甲基丙烯酸酐化学改性的温度为30～50℃，时间为3～5h。

优选地，所述分子内二酸酐化学修饰的温度为30～50℃，时间为12～24h。

优选地，所述酸酐类化合物包括但不限于丁二酸酐、戊二酸酐、己二酸酐或邻苯二酸酐。

优选地，所述改性的明胶甲基丙烯酸酯与酸酐类化合物的摩尔比为1:5～15。

优选地，所述酸酐类化合物以酸酐类化合物的二甲基亚砜溶液的形式加入，所述酸酐类化合物的二甲基亚砜溶液的滴加速度为0.01～0.5g/min。

优选地，所述反应液的ph值为8～13。

优选地，所述分子内二酸酐化学修饰完成后还包括用盐酸溶液调节所得反应产物的ph值至5～7。

优选地，所述明胶溶液中明胶的质量与甲基丙烯酸酐的体积比为(45～50)g:(3～35)ml。

优选地，所述甲基丙烯酸酐以滴加的形式与明胶溶液混合，所述甲基丙烯酸酐的滴加速度为0.02～0.30ml/min。

本发明提供了一种明胶的改性方法，包括以下步骤：将明胶溶液与甲基丙烯酸酐混合进行甲基丙烯酸酐化学改性，得到改性的明胶甲基丙烯酸酯；将所述改性的明胶甲基丙烯酸酯的水溶液与碱性物质混合，得到反应液；向所述反应液中滴加酸酐类化合物进行分子内二酸酐化学修饰，所述酸酐类化合物含有分子内酸酐官能团。本发明先对明胶进行引入可交联官能团的化学改性得到改性的明胶甲基丙烯酸酯，再通过第二种含有分子内酸酐官能团的化合物与改性的明胶甲基丙烯酸酯中的氨基进一步反应，引入羧基，制备经由两种酸酐改性的明胶衍生物材料。由于明胶分子中含有大量的氨基、羟基等活性官能团，因此通过这种化学改性的方法可以引入可反应官能团并提高溶解性。本发明通过对照实验，与改性明胶甲基丙烯酸酯相比，经过分子内二酸酐化学修饰得到的产物表现出了更加优越的溶解性和可反应性。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)该经两种不同的酸酐改性的明胶，原料简单，廉价易得，改性方法简单，可大规模生产；

2)该经两种不同的酸酐改性的明胶材料可以通过控制氨基与酸酐的用量配比来调节材料的亲水性；

3)与传统明胶改性方法相比，本发明的改性方法中各项反应条件温和、明确，反应参数易控制、批次之间的产物性能的稳定性优异；

4)该经两种不同的酸酐改性的明胶材料环境友好、生物相容性好、可降解性强，对人体无危害，在医药、组织工程材料等领域应用前景广阔。

附图说明

图1为实施例1中改性的明胶甲基丙烯酸酯和明胶的¹hnmr谱图；

图2为实施例3中改性的明胶甲基丙烯酸酯和分子内二酸酐化学修饰的明胶甲基丙烯酸酯的红外谱图；

图3为实施例3中改性的明胶甲基丙烯酸酯和分子内二酸酐化学修饰的明胶甲基丙烯酸酯的¹hnmr谱图。

具体实施方式

本发明提供了一种明胶的改性方法，包括以下步骤：

将明胶溶液与甲基丙烯酸酐混合进行甲基丙烯酸酐化学改性，得到改性的明胶甲基丙烯酸酯；

将所述改性的明胶甲基丙烯酸酯的水溶液与碱性物质混合，得到反应液；

向所述反应液中滴加酸酐类化合物进行分子内二酸酐化学修饰，所述酸酐类化合物含有分子内酸酐官能团。

本发明将明胶溶液与甲基丙烯酸酐混合进行甲基丙烯酸酐化学改性，得到改性的明胶甲基丙烯酸酯。

在本发明中，所述甲基丙烯酸酐化学改性的反应原理如下式所示：

在本发明中，所述明胶溶液的质量浓度优选为10％～20％。在本发明的具体实施例中，所述明胶溶液的制备优选为：在40～50℃的温度下，将明胶溶解于去离子水，得到所述明胶溶液。

在本发明中，所述明胶溶液中明胶与甲基丙烯酸酐的质量体积比优选为(45～50)g:(3～35)ml。

在本发明中，所述甲基丙烯酸酐优选以滴加的形式与明胶溶液混合，所述甲基丙烯酸酐的滴加速度优选为0.02～0.30ml/min。在本发明中，所述滴加优选在搅拌的条件下进行。

在本发明中，所述甲基丙烯酸酐化学改性的温度优选为30～50℃，时间优选为3～5h，所述时间优选以滴加完成后开始计算。在本发明中，所述甲基丙烯酸酐化学改性优选在搅拌的条件下进行，本发明对所述搅拌的转速没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的条件即可。在本发明中，所述甲基丙烯酸酐化学改性的过程中优选不断加入饱和nahco3溶液调节反应液ph值至近中性。

所述甲基丙烯酸酐化学改性完成后，本发明优选将所得粗产物依次进行离心、透析除杂和真空冷冻处理，得到所述改性的明胶甲基丙烯酸酯。在本发明中，所述离心优选为3500g所述粗产物离心3分钟，本发明对所述离心的转速没有特殊的限定；所述透析除杂优选采用分子量为1000～10000da的透析袋，所述透析除杂优选为在25～35℃的去离子水中透析5～8天；所述真空冷冻处理优选为-60～-80℃下冷冻2～4天。

得到所述改性的明胶甲基丙烯酸酯后，本发明将所述改性的明胶甲基丙烯酸酯的水溶液与碱性物质混合，得到反应液。在本发明中，所述反应液的ph值优选为8～13。在本发明中，所述碱性物质优选为三乙胺或氢氧化钠溶液，本发明对所述氢氧化钠溶液的浓度没有特殊的限定，能够使反应液ph值达到8～13即可。

在本发明中，所述改性的明胶甲基丙烯酸酯的水溶液的质量浓度优选为5％～20％，在本发明的具体实施例中，优选将所述改性的明胶甲基丙烯酸酯溶于去离子水中，于30～50℃下搅拌至透明，得到所述改性的明胶甲基丙烯酸酯的水溶液。

得到反应液后，本发明向所述反应液中滴加酸酐类化合物进行分子内二酸酐化学修饰，所述酸酐类化合物含有分子内酸酐官能团。

在本发明中，所述酸酐类化合物优选包括丁二酸酐、戊二酸酐、己二酸酐或邻苯二酸酐。

以丁二酸酐为例，所述分子内二酸酐化学修饰的反应原理如下式所示：

在本发明中，所述改性的明胶甲基丙烯酸酯与酸酐类化合物的摩尔比优选为1:5～15，更优选为1:10。

在本发明中，所述酸酐类化合物优选以酸酐类化合物二甲基亚砜溶液的形式加入，所述酸酐类化合物二甲基亚砜溶液的滴加速度优选为0.01～0.5g/min。在本发明的具体实施例中，优选将所述酸酐类化合物溶于二甲基亚砜(dmso)中后再滴加。

在本发明中，所述分子内二酸酐化学修饰的温度优选为30～50℃，时间优选为12～24h，更优选为18h，所述时间优选以滴加完成后开始计算。在本发明中，所述甲基丙烯酸酐化学改性优选在搅拌的条件下进行，本发明对所述搅拌的转速没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的条件即可。

在本发明中，所述分子内二酸酐化学修饰完成后优选还包括用盐酸溶液调节所得反应产物的ph值至5～7，得到粗产物。在本发明中，所述盐酸的摩尔浓度优选为0.01～10m。

得到粗产物后，本发明优选将所述粗产物依次进行离心、透析除杂和真空冷冻处理，得到所述改性的明胶甲基丙烯酸酯。在本发明中，所述离心优选为3500g所述粗产物离心3分钟，本发明对所述离心的转速没有特殊的限定；所述透析除杂优选采用分子量为1000～10000da的透析袋，所述透析除杂优选为在25～35℃的去离子水中透析5～8天；所述真空冷冻处理优选为-60～-80℃下冷冻2～4天。

为了进一步说明本发明，下面结合实例对本发明提供的明胶的改性方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

将10.0g明胶加入100ml去离子水中至溶液最后浓度为10％(w/v)，并置于带磁性搅拌棒的圆底烧瓶中。将产生的混合物在50℃水浴条件下适度搅拌30分钟，以促进明胶溶解，直到明胶完全溶解时溶液变得澄清透明。然后在搅拌的同时，慢慢向圆底烧瓶中滴加1.0g甲基丙烯酸酐(滴加速度为0.02ml/min)，以获得甲基丙烯酸酯功能化的明胶，即改性的明胶甲基丙烯酸酯。由于甲基丙烯酸酐的加入，溶液将变得均匀不透明，确保在反应过程中充分搅拌，同时尽量减少空气的吸收，因为搅拌不充分会导致溶液相分离。在甲基丙烯酸酐滴加完毕后这个反应继续搅拌5小时，同时使用7ml1mnahco3溶液调节反应溶液的ph值至7。反应结束后，将反应液转移到50ml离心管，通过离心机收集产物，轻轻倒出上层清液到一个500ml的玻璃烧杯，并丢弃沉积在离心管底部未反应的甲基丙烯酸酐及其副产物。接着用去离子水稀释玻璃烧杯中的上清液，然后将溶液转移到3500da的透析膜中，用大量去离子水在室温条件下透析6天，每天换三次水。最后将透析溶液分装在200ml的表面皿中，冷冻干燥，得到白色泡沫状的改性的明胶甲基丙烯酸酯产物。

图1为实施例1中改性的明胶甲基丙烯酸酯和明胶的¹hnmr谱图，从图1可以看出，改性的明胶甲基丙烯酸酯在～5.40ppm和～5.6ppm出现了-c＝c-的化学位移峰，显示产物的分子链上含有双键，说明本发明成功合成了中取代度的改性的明胶甲基丙烯酸酯。

实施例2

将10.0g明胶加入100ml去离子水中至溶液最后浓度为10％(w/v)，并置于带磁性搅拌棒的圆底烧瓶中。将产生的混合物在50℃水浴条件下适度搅拌30分钟，以促进明胶溶解，直到明胶完全溶解时溶液变得澄清透明。然后在剧烈搅拌的同时，慢慢向圆底烧瓶中滴加0.6g甲基丙烯酸酐(滴加速度为0.30ml/min)，以获得甲基丙烯酸酯功能化的明胶，即改性的明胶甲基丙烯酸酯。由于甲基丙烯酸酐的加入，溶液将变得均匀不透明，确保在反应过程中充分搅拌，同时尽量减少空气的吸收。在甲基丙烯酸酐滴加完毕后这个反应继续搅拌3小时，同时使用5ml1mnahco3溶液调节反应溶液的ph值至7。反应结束后，将反应液转移到50ml离心管，通过离心机收集产物，轻轻倒出上层清液到一个500ml的玻璃烧杯，并丢弃沉积在离心管底部未反应的甲基丙烯酸酐及其副产物。接着用去离子水稀释玻璃烧杯中的上清液，然后将溶液转移到3500da的透析膜中，用大量去离子水在室温条件下透析5天，每天换三次水。最后将透析溶液分装在200ml的表面皿中，冷冻干燥，得到白色泡沫状的低取代度的改性的明胶甲基丙烯酸酯产物。

实施例3

取1.0g实施例1制得的中取代度的改性的明胶甲基丙烯酸酯溶于20ml去离子水中，50℃水浴加热搅拌40分钟使改性的明胶甲基丙烯酸酯溶解后形成均匀的改性的明胶甲基丙烯酸酯水溶液，配制为质量分数为5％的溶液；加入0.5ml三乙胺调节反应液的ph值至8，同时将0.5g丁二酸酐溶于10ml二甲基亚砜后加入均匀透明的溶液中，滴加速度为0.1g/min，使得改性的明胶甲基丙烯酸酯与丁二酸酐的摩尔比为1:10，在反应温度为50℃下磁力搅拌反应18h，用0.1m的hcl溶液调节反应液ph值至中性。将得到的粗产物在3500g下离心3分钟，取上清液在25℃的去离子水中透析7天透析除杂，-80℃冷冻3天并在真空状态下冷冻干燥，得到中取代度的经两种酸酐改性的明胶甲基丙烯酸酯多重衍生物，即分子内二酸酐化学修饰的明胶甲基丙烯酸酯，也就是明胶改性的最终产物。

与改性的明胶甲基丙烯酸酯相比，经此实施例得到的分子内二酸酐化学修饰的明胶甲基丙烯酸酯具有更好的溶解性：无需加热，仅在室温下摇晃30秒至3分钟，即可将溶解于水，并配置至少10wt％的溶液且不会发生物理凝胶化。而改性的明胶甲基丙烯酸酯在同样的浓度下，需要加热才能溶解，并且当浓度为5～7wt％以上时，室温下会形成物理凝胶。

图2和图3分别为实施例3中改性的明胶甲基丙烯酸酯和分子内二酸酐化学修饰的明胶甲基丙烯酸酯的红外谱图与¹hnmr谱图，从图2和图3可以看出，经过丁二酸酐化学修饰处理后，分子内二酸酐化学修饰的明胶甲基丙烯酸酯的-cooh在3200～2500cm^-1处的特征伸缩振动峰变宽。此外，在3300～3500cm^-1左右出现的-c＝o-峰的强度增大。反应结束后，2920cm^-1和2850cm^-1处的峰消失，1081cm^-1和1034cm^-1处的峰值变弱。与改性明胶甲基丙烯酸酯核磁谱图相比，3.0ppm处的峰值完全消失，2.47ppm处出现了新的峰值，1.65ppm处的峰值变弱，说明本发明成功合成了中取代度的酸酐改性明胶甲基丙烯酸酯多重衍生物。

实施例4

取0.6g实施例2制得的低取代度的改性的明胶甲基丙烯酸酯溶于20ml去离子水中，50℃水浴加热搅拌30分钟使改性的明胶甲基丙烯酸酯溶解后形成均匀的改性的明胶甲基丙烯酸酯水溶液，配制为质量分数为5％的溶液；加入三乙胺(0.5ml)调节反应液的ph值至10，同时将0.5g丁二酸酐溶于10ml二甲基亚砜后加入均匀透明的溶液中，滴加速度为0.03g/min，使得改性的明胶甲基丙烯酸酯与丁二酸酐的摩尔比为1:15，在反应温度为30℃下磁力搅拌反应12h，用0.1m的hcl溶液调节反应液ph至7。将得到的粗产物在3500g下离心3分钟，取上清液在35℃的去离子水中透析7天透析除杂，-80℃冷冻3天并在真空状态下冷冻干燥，得到低取代度的经两种不同酸酐改性的明胶甲基丙烯酸酯多重衍生物，即分子内二酸酐化学修饰的明胶甲基丙烯酸酯，也就是明胶改性的最终产物。

与改性的明胶甲基丙烯酸酯相比，经此实施例得到的明胶多重修饰衍生物具有更好的溶解性：无需加热，仅在室温下摇晃30秒至3分钟，即可将产物溶解于水，并配置至少10wt％的溶液且不会发生物理凝胶化。而改性的明胶甲基丙烯酸酯在同样的浓度下，需要加热才能溶解，并且当浓度为5～7wt％以上时，室温下该溶液会形成物理凝胶。

实施例5

取2.0g实施例2制得的低取代度的改性的明胶甲基丙烯酸酯溶于20ml去离子水中，50℃水浴加热搅拌30分钟使改性的明胶甲基丙烯酸酯溶解后形成均匀的改性的明胶甲基丙烯酸酯水溶液，配制为质量分数为5％的溶液；加入三乙胺(1.0ml)调节反应液的ph值至9，同时将1.0g邻苯二甲酸酐溶于10ml二甲基亚砜后加入均匀透明的溶液中，滴加速度为0.05g/min，使得改性的明胶甲基丙烯酸酯与邻苯二甲酸酐的摩尔比为1:15，在反应温度为30℃下磁力搅拌反应12h，用0.1m的hcl溶液调节反应液ph至5。将得到的粗产物在3500g下离心3分钟，取上清液在35℃的去离子水中透析7天透析除杂，-80℃冷冻3天并在真空状态下冷冻干燥，得到低取代度的经两种不同酸酐改性的明胶甲基丙烯酸酯多重衍生物，即分子内二酸酐化学修饰的明胶甲基丙烯酸酯，也就是明胶改性的最终产物。

与改性的明胶甲基丙烯酸酯相比，经此实施例得到的明胶多重修饰衍生物具有更好的溶解性：无需加热，仅在室温下摇晃30秒至3分钟，即可将产物溶解于水，并配置至少10wt％的溶液且不会发生物理凝胶化。而改性的明胶甲基丙烯酸酯在同样的浓度下，需要加热才能溶解，并且当浓度为5～7wt％以上时，室温下该溶液会形成物理凝胶。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。