膠原蛋白變身材料新貴

　　作者：趙永旗（河南工程學院）
　　指導老師：蘇玉恒（河南工程學院副教授）

　　近年來，膠原蛋白領域的研究十分活躍，進展很快。在對膠原蛋白的利用方面，除主要的醫用、美容等方面，新的用途不斷被開發。新的用途主要著眼于膠原蛋白獨特的宏觀物理性能，即纖維性能，用于紡織、造紙、包裝材料等領域。

　　撰寫背景

　　膠原蛋白又稱膠原，是一種天然蛋白質，廣泛存在于動物的皮膚、骨、軟骨、牙齒、肌腱、韌帶和血管中，是結締組織中極重要的結構蛋白質。膠原是由3條鈦鏈擰成螺旋的纖維狀蛋白質，具有很強的韌性、熱穩定性和機械強度，而不同組織中的膠原，又有差異，具有獨特的功能。

　　近年來，膠原蛋白領域的研究十分活躍，進展很快。在對膠原蛋白的利用方面，除主要的醫用、美容等方面，新的用途不斷被開發。新的用途主要著眼于膠原蛋白獨特的宏觀物理性能，即纖維性能，用于紡織、包裝材料等領域。國內外目前對膠原蛋白的研究，多集中在化妝品、醫學領域，在紡織紗線生產領域尚未見相關研究報告。目前對膠原蛋白纖維很有必要進行研究。

　　2011年，由河南工程學院紡織工程系申報，經鄭州市科技局批準，確立鄭州市科技攻關項目《膠原蛋白纖維紡紗性能研究》。該研究課題對上海全宇生物科技駐馬店遂平有限公司生產的我國擁有完全自主知識產權的膠原蛋白改性合成纖維進行了紡紗性能研究。在紡織系蘇玉恒老師的指導下，使用河南工程學院紡織實驗室的實驗儀器和河南工程學院實訓中心棉紡實驗機，由趙永旗同學在實驗室各位老師的幫助下完成了對該膠原蛋白纖維各項性能的測試、紡紗實驗及對所紡紗性能的測試分析，得出該纖維具有可紡性的結論。
　　
　　高純度膠原蛋白易降解

　　膠原蛋白結構由三條肽鏈螺旋組成，其特有的結構和化學組成使其具有許多獨特的功能，如生物降解性、成纖性能、止血性能、免疫性能、離子和大分子結合性能、靜電學性能等。

　　膠原蛋白獨特的功能使膠原蛋白在醫學、化妝品、食品、化工原料、紡織等方面都有應用。從動物骨骼中得到的骨膠原蛋白纖維，如從牛屈肌腱的骨膠原懸浮液制得的膠原蛋白纖維強度高，可作為醫用縫合線，這種縫合線在人體酶解后可以被組織吸收，生物適應性優良，無抗原性，生物體吸收良好。膠原蛋白制成的化妝品，能促進皮膚的新陳代謝，增強循環，達到滋潤皮膚、保持皮膚潤澤等。在食品加工中，膠原蛋白能制作成香腸腸衣；經調漿、成型、干燥、油炸等工序制作成膠原小食品。由于膠原纖維具有吸音性、微彈性、耐磨性等，日本采用膠原纖維、合成纖維與植物纖維以一定的比例混合生產出特種壁紙。膠原蛋白在紡織領域主要是對其他纖維的改性應用。

　　膠原蛋白纖維的生產，首先要從動物的皮、軟骨等原料中提取膠原蛋白。目前提取膠原蛋白的方法主要有酸法、堿法、鹽法、酶法、綜合法。有些特殊用途的膠原蛋白還要經過進一步的純化。

　　純天然膠原蛋白纖維材料一般不能完全滿足人們實際生活的需要，純度高的膠原蛋白纖維易發生降解，且紡出的絲強度太低。因此，膠原蛋白纖維多是利用膠原蛋白對纖維進行改性而成。如膠原蛋白與聚丙烯腈不同比例的共混紡絲，膠原蛋白和丙烯腈的質量比為2∶98的條件下，聚合溶液具有良好的可紡性。利用從動物生皮或皮革工業廢棄物中分離得到膠原蛋白，經質量分數為20%的丙烯酸單體接枝改性后與質量分數為18%的聚乙烯醇混合，在70℃下攪拌2小時，在40℃的凝固浴下進行共混紡絲，經濕法紡絲、凝固、拉伸和縮醛化處理后，制得具有良好吸濕性和染色性能的膠原蛋白/PVA復合纖維。

　　最佳配方與主要技術條件

　　本課題所使用的纖維是由上海全宇生物科技遂平有限公司開發生產，是我國擁有自主知識產權的的新型纖維，其原料為動物蛋白及羥基、氰基高聚物。生產原理是用酸水解的方法提取膠原蛋白，并將膠原纖維改變空間結構使之在適當的條件下與羥基和氰基高聚物接枝，通過濕法紡絲生產出膠原蛋白纖維絲。在紡絲過程中，牽伸使纖維大分子達到一定的取向度，然后絲束經過卷曲、熱定型、切斷等就成為紡織用的膠原蛋白纖維，經出廠測定，其氨基酸總含量為12.35%。整個生產過程對環境、空氣、人體、土壤、水質等基本無污染，纖維本身易生物降解，屬于綠色環保纖維。

　　膠原蛋白纖維適合紡中細特紗

　　為了對膠原蛋白纖維的形態特征、理化性能有一個比較系統全面的了解，本課題對該纖維進行了全面的性能測試。

　　實驗儀器：Y171型纖維切斷器、電子天平、生物顯微鏡、LLY－06B型電子纖維強力儀、Y151型纖維摩擦系數儀、YG362型卷曲彈性儀、放大鏡YG747型通風式快速八籃恒溫烘箱、YG321型纖維比電阻測試儀及其附件等。

　　通過對膠原蛋白纖維的長度、細度、強力、摩擦因數、卷曲性能、質量比電阻、回潮率、含油率，以及纖維的熱學性能分析，得出如下結論：

　　纖維的長度、細度適中，適合紡中細特紗；斷裂強力相對較高，所紡紗線及其織物強度較好；濕態強度同干態強度相比差距不大，在紡紗過程中車間的相對濕度對該纖維強度的影響較?。荒z原蛋白纖維的摩擦因數相對其他纖維偏低，且動、靜摩擦因數差值較小，使紡出的紗條抱合力差，松散易斷，紡紗過程中要加大紗線捻度或適當加入一定量的油劑；卷曲數較多，能彌補因纖維摩擦因數較小而紗條抱合力差的弱點；纖維的回潮率相對化學纖維較大，且質量比電阻也較小，在紡絲過程中又加上了較多的油劑，具有較好的防靜電性能；耐熱學性能比較好，但在高溫下會出現一定的熱收縮。

　　膠原蛋白有利于提高成紗條干

　　現將14.6tex和21tex的紗編為1組和2組，八管紗編號為A1、B1、C1、D1和A2、B2、C2、D2。對混紡紗分別進行強伸性、毛羽、條干測試。

　　實驗儀器：YG061——1500單紗強力測試儀、YG171紗線毛羽測試儀YG135條干均勻度測試分析儀。

　　對混紡紗的測試結果可看出，紗的這幾項數據和紗線的分等標準有一定的差距，這主要是因為紡紗使用的小型實驗機和工廠車間內的機械有很大的出入，在一定的程度上影響了所紡紗的質量。但通過對不同細度、不同混比的紗對比分析不難看出：

　　一是同一組混紡紗，隨著膠原蛋白纖維含量的增加，混紡紗的斷裂強度逐漸增加，紗的斷裂伸長率越大。

　　二是純棉紗的毛羽比混紡紗多，在線密度相同的同一組混紡紗中，可以看出膠原蛋白纖維混比越大，而紗的毛羽指數越小，同時可以看出膠原蛋白纖維混比相同，而混紡紗的線密度大時，紗的毛羽數較多。

　　三是從纖維的測試分析得出膠原蛋白纖維的各項性能對提高混紡紗的條干均勻率是有利的，但所紡制的這幾種紗的條干并沒有明顯的提高，這可能是由于在小型實驗機上膠原蛋白纖維開松較差從而纖維分離度差，同時所混用的原棉性能差，以及加工工藝和機械性能等原因造成的。

　　從以上三個實驗數據分析可得出本實驗所用的膠原蛋白纖維是可紡性很好的纖維。制得的混紡紗強力較大，斷裂伸長較大；膠原蛋白纖維的混比較大時，成紗的毛羽有所改善；膠原蛋白的各項優良的性能，有利于提高成紗的條干。

　　膠原蛋白纖維具有止血功能

　　膠原蛋白纖維具有很多獨特的優點使其具有特殊的用途，具有止血功能，可用其生產醫用繃帶、緊急止血帶。同時纖維柔軟順滑，有較好的皮膚親合性和一定的抗菌性，可用其生產貼身的衣物。但考慮到膠原蛋白纖維生產價格比較高，選擇其他原料混用。膠原纖維與植物纖維的天然線性高分子形態相似，而一般的醫用繃帶、內衣也常用棉纖維生產，故選擇膠原蛋白纖維和棉纖維混紡。

　　利用校實驗室內東華大學生產的棉紡小樣機進行紡紗。小樣機有4臺機械組成：DHUA202型清梳小樣機→DHUA301型并條實驗機→DHUC01型棉型粗紗試驗機→DHUX01型棉型細紗實驗機。

　　各工序工藝原則及工藝參數

　　一是清梳工序：采用“輕定量、低速度、快轉移、少損傷、小張力牽伸、輕打多梳”的工藝原則。因膠原蛋白纖維膨松性好，定量不宜過重，否則容易堵塞喇叭口；纖維長度整齊度好、短絨少、不含雜質、抱合力差，適當降低開棉刀片打手的速度；道夫速度適當降低，可減輕梳理負荷，錫林與道夫間的隔距適當偏小掌握，有利于纖維順利轉移。
　　
　　二是并條工序：采用低速度、重加壓、中定量、大隔距的工藝原則。為確保混紡比準確和混合均勻，采用先預并和后三道混并，共四道并條工藝。根據不同的混紡比來安排棉與膠原蛋白生條進行混條。

　　三是粗紗工序：采用“重加壓、慢車速、適當偏大捻度”的工藝原則，適當放大羅拉隔距。

　　四是細紗工序：以“小隔距，中加壓，低車速，小后區牽伸，大后羅拉隔距，中硬度膠輥”為工藝原則。

　　根據以上工藝原則和工藝參數，在實驗機上紡制出14.6tex和21tex兩種線密度，膠原蛋白纖維含量分別為0%、10%、20%、30%4種不同混紡比的八管紗。

　　隨著人們生活水平和質量的不斷提高，膠原蛋白纖維作為一種新型功能性纖維，其研究和應用將更加廣泛。膠原蛋白資源將更合理的被人們利用。

　　醫用縫合線

　　醫用縫合線是一種用于人體手術縫合的線型材料。從材質發展來看，其經歷了絲線、羊腸線、化學合成線和純天然膠原蛋白縫合線。根據原材料的來源，醫用縫合線可分為天然縫合線（動物肌腱縫線、羊腸線、蠶絲和棉花絲線）和人造縫合線（尼龍、聚乙烯、聚丙烯、PGA、不銹鋼絲和金屬鉭絲）兩種。

　　隨著人們生活水平的逐步提高和對美的不斷追求，現在更傾向于選用吸收效果更好，拉力更強，綜合性能更理想的純天然膠原蛋白縫合線。純天然膠原蛋白縫合線取自特種動物肌腱組織，具有膠原蛋白材質的諸多特性，和其他縫合線相比具有吸收效果好、拉力強、促進傷口愈合等獨有功能。