CN108977912A

CN108977912A - 胶原纤维的制备方法

Info

Publication number: CN108977912A
Application number: CN201810742698.2A
Authority: CN
Inventors: 丁长坤; 杜建华; 程博闻; 曹悦苗; 岳程飞; 李璐
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Tianjin Polytechnic University
Priority date: 2018-07-09
Filing date: 2018-07-09
Publication date: 2018-12-11
Anticipated expiration: 2038-07-09
Also published as: CN108977912B

Abstract

本发明公开了一种胶原纤维的制造方法，包括如下步骤：将纺丝原液在干湿法纺丝装置上挤出成型，从喷丝头挤出的纺丝细流经过长度为6～10mm的空气层，然后进入凝固浴中进行凝固，干燥后得到初生纤维；其中，凝固浴液面到凝固浴底部之间的距离大于200mm。本发明的方法可以获得抗张强度得到进一步提高的胶原纤维。

Description

胶原纤维的制备方法

技术领域

本发明涉及一种胶原纤维的制备方法，尤其是一种再生胶原纤维的制备方法。

背景技术

胶原蛋白是细胞外基质的结构蛋白质，I型胶原分子由三条α肽链组成，呈三股螺旋构象，且分子之间受疏水作用、氢键和静电力等作用自组装成纤维聚集态，具有一定的力学性能而在体内具有支撑、保护器官的功能。通过酶解法从鼠尾中提取出的胶原具有优异的低抗原性、生物可降解性、止血性和生物相容性。利用胶原在酸性体系下溶解，在碱性凝固浴中析出的性质，一般用湿法纺丝方法来制备胶原再生纤维。胶原纺丝溶液细流凝固较慢，常规湿法纺丝很难在成型过程中对其施加一定的牵伸力而使初生纤维获得一定取向，使得再生胶原纤维的力学性能无法达到使用要求。胶原分子表面有大量的亲水基团，所以再生胶原蛋白纤维遇水即溶胀，湿态下几乎没有强度，因而无法达到使用要求。

CN101085373A公开了一种抽取海狸鼠肌腱组织制备医用缝合线的工艺方法。CN102188745A公开了从海狸鼠尾中抽取出尾筋制作医用缝合线的无菌处理方法。这些方法直接抽取尾筋作为胶原纤维，其长度和线号受到很大限制。CN104189944A公开了一种高纯度胶原蛋白的提取方法。CN107190341A公开了一种添加金属氧化物的胶原纤维的纺丝方法，制备出适合用于仿制头发或人工毛皮的纤维。上述方法对于胶原纤维的力学性能没有要求，无法达到缝合线的强度要求。CN104213238A公开了一种提高胶原纤维材料抗拉强度的方法，采用戊二醛水浴浸泡的方法提高了胶原纤维的强度，但所需反应时间需要12～24小时，很难应用在胶原纤维的连续纺丝生产线上。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种胶原纤维的制备方法，其抗张强度得到提高，吸水率得到降低。本发明通过如下技术方案实现上述目的。

一种胶原纤维的制造方法，包括如下步骤：

(1)将胶原原料加入0.3～1.0mol/l的醋酸溶液中，在0～10℃下溶胀10～30min，搅拌3～6h至胶原原料完全溶解，然后在0～10℃下离心脱泡30～60min，得到纺丝原液；其中，醋酸溶液含有0.03～0.08wt％的水溶性交联剂；

(2)将所述纺丝原液在干湿法纺丝装置上挤出成型，从喷丝头挤出的纺丝细流经过长度为6～10mm的空气层，然后进入凝固浴中进行凝固，干燥后得到初生纤维；其中，凝固浴液面到凝固浴底部之间的距离大于200mm；

(3)将初生纤维在含戊二醛的无水乙醇溶液中浸渍2～10min，取出后悬挂，并在下端施加10～15g的重力牵伸进行干燥，从而得到胶原纤维。

根据本发明的制备方法，优选地，步骤(1)中，所述纺丝原液中的胶原浓度为3～5wt％。

根据本发明的制备方法，优选地，步骤(1)中，所述胶原原料来源于鼠尾、牛皮或猪皮；所述水溶性交联剂为戊二醛或京尼平。

根据本发明的制备方法，优选地，步骤(1)中，醋酸溶液中的醋酸浓度为0.5～0.8mol/l，水溶性交联剂浓度为0.05～0.08wt％；溶胀温度为4～6℃，溶胀时间为15～20min；脱泡温度为4～6℃，脱泡时间为35～55min。

根据本发明的制备方法，优选地，步骤(2)中，空气层的长度为8～10mm；凝固浴液面到凝固浴底部之间的距离大于230mm。

根据本发明的制备方法，优选地，步骤(2)中，纺丝原液的挤出速度为0.3～1.0ml/min；凝固温度为20～35℃，凝固时间为1～5min。

根据本发明的制备方法，优选地，步骤(2)中，所述凝固浴由体积比为100:6～7:1～3的丙酮、氨水和去离子水形成。

根据本发明的制备方法，优选地，步骤(2)的干燥包括：将凝固浴捞出的纤维在20～27℃下悬挂，并在下端施加3～9g的重力牵伸。

根据本发明的制备方法，优选地，步骤(3)中，浸渍温度为28～35℃；含戊二醛的无水乙醇溶液含有0.3～0.8wt％的戊二醛，且pH为7.5～8.5。

根据本发明的制备方法，优选地，步骤(2)中，纺丝原液在干湿法纺丝装置中的存放时间小于10h。

本发明使用干湿法纺丝装置，喷丝头挤出的纺丝细流后先经过一段空气层，在此阶段，纺丝细流还未开始凝固，只受重力作用，使得丝条在进凝固浴前被牵伸，提高了丝条取向度。本发明的凝固浴液面到凝固浴底部的距离较大，使丝条在落到凝固浴底部后丝条皮层已经凝固，保证丝条的凝固时间，提高抗张强度。

附图说明

图1为实施例1的干湿法纺丝装置。1-定量注射泵，2-喷丝头，3-立式凝固浴槽。

图2a和2b分别为不同放大倍数的扫描电镜观察的实施例1制得的胶原纤维剖面图。

图3为实施例1制得胶原纤维的水接触角图。接触角为137.6°。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

胶原是从动物体皮、尾筋、肌腱等组织中提取出的具有优异的生物相容性、低抗原性和生物可降解性的I型胶原蛋白。提取出来的胶原可溶解在酸性溶液中制备成一定浓度的纺丝原液，通过湿法纺丝方法挤出，在碱性凝固浴中成型，即为再生胶原纤维。传统湿法纺丝过程中存在凝固时间长、成型慢、难于牵伸等技术难点，制备的纤维性能差，纤维在水中就会溶胀，湿态强度为零，因而在结构和性能上无法达到“国家标准YY 1116-2010可吸收性外科缝线”的要求。

本发明的胶原纤维的制造方法包括(1)纺丝原液制备步骤；(2)纺丝步骤；(3)后处理步骤。本发明的胶原可以为再生胶原。胶原可以来源于鼠尾、牛皮或猪皮。优选地，胶原为来源于鼠尾、牛皮或猪皮的再生胶原；更优选为I型再生胶原。这样有利于保证胶原纤维的强度。

在本发明的步骤(1)中，将胶原原料加入0.3～1.0mol/l的醋酸溶液中，在0～10℃下溶胀10～30min，搅拌3～6h至胶原原料完全溶解，然后在0～10℃下离心脱泡30～60min，得到纺丝原液；其中，醋酸溶液含有0.03～0.08wt％的水溶性交联剂。

在步骤(1)中，醋酸溶液中的醋酸浓度可以为0.3～1.0mol/l，优选为0.5～0.8mol/l。水溶性交联剂浓度可以为0.03～0.08wt％，优选为0.05～0.08wt％。本发明发现，合适的醋酸浓度和水溶性交联剂有利于提高胶原纤维的抗张强度。

步骤(1)中，所述纺丝原液中的胶原浓度为3～5wt％，优选为3.5～5wt％。合适的胶原浓度有利于提高可纺性。水溶性交联剂可以为戊二醛或京尼平，优选为戊二醛。京尼平(Genipin)是栀子苷经β-葡萄糖苷酶水解后的产物。

在步骤(1)中，胶原原料在醋酸溶液中溶胀10～30min，优选为15～20min；然后搅拌3～6h，优选4～5h，将胶原原料溶解并形成均相溶液。将均相溶液离心脱泡、冷藏熟化得到纺丝原液。离心脱泡的温度为0～10℃，优选为3～8℃；离心脱泡的时间为30～60min，优选为35～55min。这样可以保证脱泡充分，从而提高可纺丝性。冷藏熟化可以在冰箱或冷库中进行。冷藏熟化的温度可以为0～10℃，优选为3～8℃；冷藏熟化的时间为15～36h，优选为20～25h。冷藏熟化后形成纺丝原液，用于纺丝步骤。

根据本发明的一个实施方式，步骤(1)中，醋酸溶液中的醋酸浓度为0.5～0.8mol/l，水溶性交联剂浓度为0.05～0.08wt％；溶胀温度为4～6℃，溶胀时间为15～20min；脱泡温度为4～6℃，脱泡时间为35～55min。

在本发明的步骤(2)中，将所述纺丝原液在干湿法纺丝装置上挤出成型，从喷丝头挤出的纺丝细流经过长度为6～10mm、优选为8～10mm的空气层，然后进入凝固浴中进行凝固，干燥后得到初生纤维；其中，凝固浴液面到凝固浴底部之间的距离大于200mm，优选大于230mm。根据本发明的一个实施方式，空气层的长度为8mm；凝固浴液面到凝固浴底部之间的距离为260mm。纺丝细流经喷丝头挤出后，先经过一段空气层；此时纺丝细流还未开始凝固，只受重力作用，使得丝条在进凝固浴前被牵伸，提高了丝条取向度。纺丝细流在进入凝固浴后，由于细流凝固所需时间长，为避免丝条表面未凝固就落在凝固浴槽底部导致纤维之间的粘连而影响纤维的表面形貌和内部结构，采用立式凝固浴槽。凝固浴液面到凝固浴底部距离足够大，使丝条在落到凝固浴底部后丝条皮层已经凝固，保证丝条的凝固时间，从而提高抗张强度。

在步骤(2)中，纺丝原液的挤出速度为0.3～1.0ml/min；优选为0.5～0.8ml/min。凝固温度为20～35℃，优选为25～30℃。凝固时间为1～5min，优选为2～3min。这样可以保证凝固充分。凝固浴由体积比为100:6～7:1～3的丙酮、氨水和去离子水形成，例如由体积比为100:6.5～7:1～1.5的丙酮、氨水和去离子水形成。纺丝细流逐渐凝固，并在凝固浴中保持1～5min，优选2～3min后捞出；然后进行干燥。根据本发明的一个实施方式，步骤(2)的干燥包括：将凝固浴捞出的纤维在20～27℃下悬挂，并在下端施加3～9g的重力牵伸。干燥温度可以为20～27℃，优选为23～25℃；干燥时间并没有特别限制，只要将其完全晾干即可。干燥过程中，需要将凝固浴捞出的纤维悬挂，并在下端施加3～9g、优选5～7g的重力牵伸。可以采用砝码等重物施加重力。干燥后的原丝进行交联处理。

在步骤(2)中，纺丝原液在干湿法纺丝装置中的存放时间小于10h，优选小于8h，这样可以防止纺丝原液凝固，并避免影响胶原纤维性能。

在本发明的步骤(3)中，将初生纤维在含戊二醛的无水乙醇溶液中浸渍2～10min，取出后悬挂，并在下端施加10～15g的重力牵伸进行干燥，从而得到胶原纤维。这样可以降低胶原纤维的吸水率，提高其湿态强度。根据本发明的一个实施方式，步骤(3)中，浸渍温度为28～35℃；含戊二醛的无水乙醇溶液含有0.3～0.8wt％的戊二醛，且pH为7.5～8.5。浸渍温度可以为28～35℃，优选为30～33℃，时间可以为5～15min，优选为10～13min。浸渍液采用含戊二醛的无水乙醇溶液，其中含有0.3～0.8wt％、优选0.5～0.6wt％的戊二醛。浸渍液的pH为7.5～8.5，优选为7.6～8。交联完成后，取出纤维进行干燥。干燥过程中，需要将纤维自然悬挂，并在下端施加10～15g、优选10～13g的重力牵伸。可以采用砝码等重物施加重力。干燥完成后得到胶原纤维。

本发明的胶原纤维主要由胶原组成，其抗张强度在1.9cN/dtex以上，优选为2.0cN/dtex以上；吸水率小于200％。

下面描述本发明的纤维性能测定方法。

力学性能：采用莱州电子仪器有限公司LLY-06型电子单纤维强力仪测试纤维的力学性能，夹距为20mm，拉伸速率为10mm/min，干态测试温度为25℃，相对湿度为75％。分别测十组数据，取平均数。

吸水率测试步骤：取w₁的纤维放入蒸馏水中10min，取出后去除纤维表面的水分，称重为w₂，则吸水率的计算公式如下：

吸水率(％)＝(w₂-w₁)/w₁×100％

重复三次，取平均值。

单纤维接触角测试步骤：采用德国KRUSS公司DSA100M单纤维接触角测量仪，通过仪器在纤维上滴加60μl液滴后拍照，用Drop Shape Analysis接触角分析软件测量其水接触角。

实施例1

在0.5mol/l醋酸溶液中加入0.05wt％的戊二醛，从而形成溶胀液，将胶原海绵撕碎后在该溶胀液中溶胀15min，搅拌4h，整个过程在4℃的冰水浴中进行。在4℃下离心脱泡40min，得到纺丝原液。

干湿法纺丝装置包括定量注射泵1，其上具有喷丝头2，喷丝头2的下方设置有立式凝固浴槽3。喷丝头2与立式凝固浴槽3的凝固浴液面的距离H为8mm，从而形成8mm空气层。凝固浴液面到凝固浴底部距离为260mm。

将纺丝原液转移到上述干湿法纺丝装置中。凝固浴由体积比为100:7:1的丙酮、氨水和蒸馏水形成；凝固浴的温度为25℃。将纺丝原液从喷丝头以0.5ml/min的挤出速度挤出，所得纺丝细流经过空气层后进入凝固浴，凝固2min后得到凝胶态胶原纤维。将该凝胶态胶原纤维下端加上5g的砝码牵伸悬挂，自然风干，得到初生纤维。

将0.5wt％的戊二醛加入无水乙醇中，滴加氨水调节pH为8，得到含戊二醛的无水乙醇溶液作为交联浴。将初生纤维在交联浴中浸渍2min，控制温度为30℃。将交联后的纤维下端加上10g的砝码后牵伸悬挂，自然风干，得到胶原纤维。纤维性能参见表1，纤维剖面图和接触角图参见图2～3。

对比例1

将纺丝原液转移到干湿法纺丝装置中。干湿法纺丝装置的喷丝头与凝固浴液面的距离为8mm，从而形成8mm空气层。干湿法纺丝装置的凝固槽为立式凝固浴槽。凝固浴液面到凝固浴底部距离为260mm。凝固浴由体积比为100:7:1的丙酮、氨水和蒸馏水形成；凝固浴的温度为25℃。将纺丝原液从喷丝头以0.5ml/min的挤出速度挤出，所得纺丝细流经过空气层后进入凝固浴，凝固2min后得到凝胶态胶原纤维。将该凝胶态胶原纤维下端加上5g的砝码牵伸悬挂，自然风干，得到胶原纤维。纤维性能参见表1。

对比例2

在0.5mol/l醋酸溶液中加入0.01wt％的戊二醛，从而形成溶胀液，将胶原海绵撕碎后在该溶胀液中溶胀15min，搅拌4h，整个过程在4℃的冰水浴中进行。在4℃下离心脱泡40min，得到纺丝原液。

将纺丝原液转移到干湿法纺丝装置中。干湿法纺丝装置的喷丝头与凝固浴液面的距离为8mm，从而形成8mm空气层。干湿法纺丝装置的凝固槽为立式凝固浴槽。凝固浴液面到凝固浴底部距离为260mm。凝固浴由体积比为100:7:1的丙酮、氨水和蒸馏水形成；凝固浴的温度为25℃。将纺丝原液从喷丝头以0.5ml/min的挤出速度挤出，所得纺丝细流经过空气层后进入凝固浴，凝固2min后得到凝胶态胶原纤维。将该凝胶态胶原纤维下端加上5g的砝码牵伸悬挂，自然风干，得到初生纤维。

将0.5wt％的戊二醛加入无水乙醇中，滴加氨水调节pH为8，得到含戊二醛的无水乙醇溶液作为交联浴。将初生纤维在交联浴中浸渍2min，控制温度为30℃。将交联后的纤维下端加上10g的砝码后牵伸悬挂，自然风干，得到胶原纤维。纤维性能参见表1。

对比例3

在0.5mol/l醋酸溶液中加入0.1wt％的戊二醛，从而形成溶胀液，将胶原海绵撕碎后在该溶胀液中溶胀15min，搅拌4h，整个过程在4℃的冰水浴中进行。在4℃下离心脱泡40min，得到纺丝原液。

对比例4

将0.5mol/l醋酸溶液作为溶胀液。将胶原海绵撕碎后在该溶胀液中溶胀15min，搅拌4h，整个过程在4℃的冰水浴中进行。在4℃下离心脱泡40min，得到纺丝原液。

对比例5

对比例6

将纺丝原液转移到传统湿法纺丝装置中。湿法纺丝装置的喷丝头与凝固浴液面的距离为0mm，从而没有空气层。干湿法纺丝装置的凝固槽为卧式凝固浴槽。凝固浴液面到凝固浴底部距离为100mm。凝固浴由体积比为100:7:1的丙酮、氨水和蒸馏水形成；凝固浴的温度为25℃。将纺丝原液从喷丝头以0.5ml/min的挤出速度挤出，所得纺丝细流直接进入凝固浴，凝固2min后得到凝胶态胶原纤维。将该凝胶态胶原纤维下端加上5g的砝码牵伸悬挂，自然风干，得到初生纤维。

表1、纺丝工艺参数和纤维性能

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。

Claims

1.一种胶原纤维的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述纺丝原液中的胶原浓度为3～5wt％。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述胶原原料来源于鼠尾、牛皮或猪皮；所述水溶性交联剂为戊二醛或京尼平。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，醋酸溶液中的醋酸浓度为0.5～0.8mol/l，水溶性交联剂浓度为0.05～0.08wt％；溶胀温度为4～6℃，溶胀时间为15～20min；脱泡温度为4～6℃，脱泡时间为35～55min。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，空气层的长度为8～10mm；凝固浴液面到凝固浴底部之间的距离大于230mm。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，纺丝原液的挤出速度为0.3～1.0ml/min；凝固温度为20～35℃，凝固时间为1～5min。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述凝固浴由体积比为100:6～7:1～3的丙酮、氨水和去离子水形成。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)的干燥包括：将凝固浴捞出的纤维在20～27℃下悬挂，并在下端施加3～9g的重力牵伸。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，浸渍温度为28～35℃；含戊二醛的无水乙醇溶液含有0.3～0.8wt％的戊二醛，且pH为7.5～8.5。

10.根据权利要求1～9任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，纺丝原液在干湿法纺丝装置中的存放时间小于10h。