摘要:明膠膜具有良好的生物相容性和可降解性,并且其物化性質(zhì)能被調(diào)節(jié),因而應用比較廣泛。本文綜述了不同添加劑和制備條件對明膠膜的機械性能、阻隔性能、生物可降解性等的影響。通常增塑劑可以改善明膠膜的脆性,減小其機械強度和熱穩(wěn)定性。交聯(lián)能有效提高明膠膜的機械性能和熱穩(wěn)定性,減緩明膠的降解速率。交聯(lián)包括化學交聯(lián)、生物相容性交聯(lián)和物理交聯(lián)。明膠與蛋白質(zhì)、糖類、脂類復合,其性能得以改進,并且將明膠與高聚物共混、共聚改性,可以改善明膠膜的性能以滿足不同領域的應用?！ ?br />
關鍵詞:明膠膜;生物相容性;生物可降解性;機械性能;阻隔性能
明膠是一種天然高分子材料,是由膠原熱變性或者經(jīng)物理、化學降解得到的。明膠具有良好的生物相容性和生物可降解性,具有溶膠 凝膠的可逆轉(zhuǎn)換性、極好的成膜性以及入口即化等特性。明膠膜應用領域比較廣泛,例如在食品和藥物包裝領域,可以用于方便面的調(diào)料袋、中成藥的內(nèi)包裝等;在醫(yī)學材料方面,可以用于修復神經(jīng)組織,可以將藥物固定在明膠膜上制成載體膜等;在農(nóng)業(yè)方面,可以作為自營養(yǎng)性的覆蓋膜,控制一些農(nóng)藥、化肥、除草劑等的釋放。
本文綜述了不同添加劑和制備條件對明膠膜及其復合膜的機械性能、阻隔性能、生物可降解性等的影響。
1 增塑對明膠膜性能的影響
明膠的主要成分是蛋白質(zhì),由分子間連接形成三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),這個體系脫水而形成脆性膜。增塑劑能減少明膠的分子間力,提高膜的彈性,減小膜的脆性。增塑劑主要是一些多元醇,如甘油、甘露糖、山梨醇、聚乙二醇、乙二醇等。水也是明膠膜有效的增塑劑,吸收到膜中的水分影響增塑劑的增塑能力。增塑劑分子的結(jié)構(gòu)和組成影響它破壞蛋白質(zhì)的鏈間氫鍵和它吸收水分到蛋白質(zhì)體系的能力。增塑劑的選擇通常要考慮增塑劑與蛋白質(zhì)間的相容性,形成的增塑膜的滲透性及增塑劑的添加量等因素。
1 1 增塑劑對明膠膜機械性能的影響
親水性的增塑劑能和蛋白質(zhì)形成鏈間氫鍵,減少蛋白質(zhì)的分子間力,因而可以減小明膠膜的抗拉強度(ＴＳ)和彈性模量(ＥＭ),增加斷裂伸長率(ＥＢ)。通常增塑劑具有雙重的增塑效果:其一是增塑劑本身增塑,其二是增塑劑具有強烈的吸濕性把一些水分吸到明膠的矩陣結(jié)構(gòu)中。Ａｒｖａｎｉｔｏｙａｎｎｉｓ等研究了明膠分別與可溶淀粉和羥丙基淀粉復合,用多元醇增塑的可食膜,結(jié)果表明增加水、甘油或山梨醇的含量,降低了膜的ＴＳ和ＥＭ,增加了膜的ＥＢ。Ｓｏｂｒａｌ等用山梨醇增塑明膠膜,隨著山梨醇的濃度增加，膜的穿刺強度下降,穿刺變形和水蒸汽滲透系數(shù)增加，并且玻璃轉(zhuǎn)化溫度變寬，出現(xiàn)相分離的現(xiàn)象。Ｌｉｍ等研究了甘油對用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶交聯(lián)的明膠膜的性能影響,增加甘油的量時,膜的濕含量增加,ＴＳ減小,ＥＢ增加,氧氣的透過量也增加。Ｖａｎｉｎ等比較了甘油、丙二醇、二甘醇、1,2 乙二醇等四種多元醇對明膠膜的機械強度等性能的影響,發(fā)現(xiàn)甘油對明膠膜的機械性能影響最大。Ｔｈｏｍａｚｉｎｅ等研究了不同配比的甘油和山梨醇增塑的明膠膜的機械性能、阻水性等,結(jié)果表明:甘油和山梨醇組合增塑可以消除甘油和山梨醇單獨增塑時,增塑劑容易從膜中析出或結(jié)晶出來的現(xiàn)象。
1 2 增塑劑對明膠膜熱穩(wěn)定性的影響
通常,增塑劑的加入降低了明膠膜的熱穩(wěn)定性。Ｂａｒｒｅｔｏ等發(fā)現(xiàn)增塑劑山梨醇明顯降低了酪蛋白鈉、乳清蛋白和明膠可食膜的降解活化能,降低了熱降解的起始溫度和最高溫度。熱穩(wěn)定性的降低明顯與山梨醇對蛋白質(zhì)分子內(nèi)和分子間氫鍵的影響有關。Ｇｏｓｗａｍｉ等研究發(fā)現(xiàn)明膠和三甲基苯酚復合，其熱穩(wěn)定性提高，并且聚乙二醇400作增塑劑時，復合物的熱穩(wěn)定性進一步提高,但是當增塑劑用量超過7 7%時,熱穩(wěn)定性又降低,這是由于聚乙二醇400是通過化學健合作用結(jié)合到復合物的,所以對其熱穩(wěn)定性的影響比較復雜。
1 3 水分對明膠膜性能的影響
水對于明膠膜有重要影響。Ｙａｋｉｍｅｔｓ在研究不同水含量對玻璃態(tài)明膠膜的機械性能的影響時,提出水合分成三個階段:1)水被束縛在高能吸收區(qū);2)結(jié)構(gòu)水;3)多分子層間的水。在低于玻璃態(tài) 橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變溫度時,明膠膜比較脆;在水的含量為7%～14%即以結(jié)構(gòu)水存在時,明膠復性為膠原的程度較高,因而明膠膜的機械性能較高。Ｌｕｋａｓｉｋ等利用磷光來監(jiān)控水和多元醇增塑的明膠膜的分子運動,探討增塑劑和物理交聯(lián)對明膠膜中分子的運動和氧氣透過性的影響。
2 交聯(lián)對明膠膜性能的影響
交聯(lián)在明膠膜制備過程中非常重要。交聯(lián)能有效提高明膠膜的機械性能和熱穩(wěn)定性。交聯(lián)包括化學交聯(lián)、生物相容性交聯(lián)和物理交聯(lián)。化學交聯(lián)是添加化學交聯(lián)劑使得明膠分子中的氨基、羧基與交聯(lián)劑的某些基團結(jié)合。常用的化學交聯(lián)劑有甲醛、戊二醛、二異氰酸酯、碳二亞胺、聚環(huán)氧化合物和酰基疊氮化物等。生物相容性交聯(lián)是用從生物體中提取的天然產(chǎn)物對明膠交聯(lián)。物理交聯(lián)是通過脫氫熱處理、紫外、γ照射等物理方法對明膠交聯(lián)。
2 1 化學交聯(lián)
化學交聯(lián)劑中，醛類能快速與蛋白質(zhì)反應，因而被廣泛用于交聯(lián)明膠。Ｂｉｇｉ等發(fā)現(xiàn)戊二醛的濃度從0 1增加到 1%(ｗｔ)時，交聯(lián)度從60%增到接近100%，同時明膠膜的變形減小，斷裂應力(σｂ)、ＥＭ增加：交聯(lián)能阻止明膠在緩沖液中的釋放,減小其溶脹性,并且提高了膜的熱穩(wěn)定性。王映紅等發(fā)現(xiàn)甲醛作為小分子交聯(lián)劑,對明膠膜的交聯(lián)優(yōu)于戊二醛,且蒸汽交聯(lián)比溶液交聯(lián)完全。
Ｃｈｉｅｌｌｉｎｉ等報道戊二醛(ＧＴＡ)的濃度從 1增到 2 5%(ｗｔ)時,交聯(lián)的明膠膜的ＥＭ減小,ＥＢ明顯增加,而ＴＳ變化不大。這種現(xiàn)象解釋為明膠溶液冷凝時,同時發(fā)生了化學交聯(lián)和物理交聯(lián)(恢復為膠原的三螺旋結(jié)構(gòu)),增加ＧＴＡ阻礙了明膠的物理交聯(lián)。Ｍａｔｓｕｄａ等[24]發(fā)現(xiàn)隨著明膠膜中ＧＴＡ濃度的增加,交聯(lián)膜與生物組織的粘附強度增加。
Ｃａｒｖａｌｈｏ等比較了甲醛、乙二醛化學交聯(lián)和轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶(Ｔｇａｓｅ)交聯(lián)對明膠膜性能的影響,發(fā)現(xiàn)酶交聯(lián)膜的水蒸氣滲透性降低較明顯,甲醛交聯(lián)顯著提高了膜的機械性能,化學交聯(lián)膜的熱穩(wěn)定性提高較多。Ｌｉｍ等指出Ｔｇａｓｅ催化?；D(zhuǎn)移反應,在蛋白質(zhì)分子間和分子內(nèi)形成ε (γ 谷氨酰胺?；?賴氨酸的交聯(lián)。而通常使用的化學交聯(lián)劑醛類,是通過醛基與蛋白質(zhì)中的氨基形成希夫堿而產(chǎn)生交聯(lián)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的。
2 2 生物相容性的交聯(lián)
雖然醛類是蛋白質(zhì)的有效交聯(lián)劑,但是醛類有一定的毒性和鈣化作用,因而限制了其在醫(yī)藥和食品領域的應用。人們尋找新的交聯(lián)劑和交聯(lián)方法,希望得到生物相容的交聯(lián)產(chǎn)物,不產(chǎn)生并發(fā)毒性。前面提到的Ｔｇａｓｅ就是其中一種生物相容性的酶交聯(lián)劑。Ｋｏｌｏｄｚｉｅｊｓｋａ等研究了交聯(lián)劑Ｔｇａｓｅ和1 乙烷 3 (3 二甲基胺丙烷)對明膠 殼聚糖復合膜水溶性的影響。Ｂｉｇｉ等用天然交聯(lián)劑京尼平交聯(lián)明膠膜,發(fā)現(xiàn)交聯(lián)度隨京尼平的增加而增加到85%,交聯(lián)膜的變形性減小、ＥＭ增加,在生理溶液中的溶脹減少,熱穩(wěn)定性提高。
Ｋｉｍ等用無毒性的交聯(lián)劑 前花色素交聯(lián)殼聚糖 明膠復合膜。交聯(lián)是通過氨基和酯基連接而成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),這種交聯(lián)結(jié)構(gòu)在水溶液中穩(wěn)定,并且交聯(lián)膜的機械性能和熱穩(wěn)定性提高。交聯(lián)的復合膜更有利于細胞的粘附和增殖,并且其降解速度降低。Ｄａｗｌｅｅ等把天然存在的粘多糖如軟骨素 6 硫酸鹽轉(zhuǎn)化為醛后交聯(lián)明膠,發(fā)現(xiàn)多糖的氧化程度越高其交聯(lián)度越大。這種交聯(lián)的凝膠無毒且有良好的生物相容性。Ｄｒａｙｅ等用二醛葡聚糖交聯(lián)明膠膜,結(jié)果表明膜的機械性能隨著貯存時間的延長而增加。
酶制劑Ｔｇａｓｅ和天然的交聯(lián)劑京尼平等,可以改善明膠膜的性能,但其價格較高限制了其應用。作者采用兩種天然的從植物中提取的酚類交聯(lián)劑———阿魏酸和單寧酸交聯(lián)明膠膜,研究了交聯(lián)劑添加量、成膜液ｐＨ值等因素對膜機械、溶脹等性能的影響。
2 3 物理交聯(lián)方法
用物理方法交聯(lián),也可以避免使用化學交聯(lián)劑時產(chǎn)生的毒性問題。Ｊｏ等研究了不同γ射線照射量對果膠和明膠復合膜機械性能的影響。Ｍａｔｓｕｄａ等用紫外線交聯(lián)明膠膜在外科手術中用作反粘附物質(zhì),防止組織由于粘附產(chǎn)生的并發(fā)癥。
Ｂｉｇｉ等在一定條件下單軸拉伸并用戊二醛交聯(lián)明膠膜,得到鏈各向異性、部分取向的明膠膜。發(fā)現(xiàn)膜的ＥＭ和σｂ隨拉伸比例(λ)線性增加,和未拉伸的膜比較增加了五倍。這種現(xiàn)象和明膠復性為膠原的三螺旋結(jié)構(gòu)的程度有關,三螺旋結(jié)構(gòu)增加能夠提高膜的機械強度,降低其溶脹性,并且三螺旋結(jié)構(gòu)隨著Ｂｌｏｏｍ系數(shù)的增加而增加。Ｆａｋｉｒｏｖ等通過拉伸甲醛交聯(lián)的明膠膜也得到類似的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)當λ為4～5時,Ｅ和σｂ最大;λ再增加時,Ｅ和σｂ減小。Ｖａｓｓｉｌｅｖａ等發(fā)現(xiàn)明膠膜有較高的表面微硬度,并且經(jīng)過熱處理后,其微硬度增加,這是由于加熱產(chǎn)生了分子間和分子內(nèi)交聯(lián)。
3 明膠膜的可降解性
明膠含有較多的碳和氮,能為細菌的生長提高養(yǎng)分,所以易于被降解。與合成的高聚物相比,蛋白質(zhì)沿多肽鏈不含有等同的重復單元,這種不規(guī)則結(jié)構(gòu)使得蛋白質(zhì)鏈不如合成高分子那么容易結(jié)晶,所以蛋白質(zhì)比較容易被降解。通常交聯(lián)劑的加入使明膠產(chǎn)生了三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),減緩了明膠的降解速率。Ｐａｔｉｌ和Ｄａｌｅｖ等研究了交聯(lián)的明膠膜在湖水、河水和土壤中的生物降解性,發(fā)現(xiàn)在湖水和河水中甲醛、乙二醛、戊二醛交聯(lián)的明膠膜的生物降解最慢,降解最快的是環(huán)己二異氰酸酯交聯(lián)的膜,其完全降解僅需3～4天,未交聯(lián)的膜和雙環(huán)氧化丁二烯、二環(huán)氧化辛烷交聯(lián)的膜完全降解需5～7天;在土壤中也發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果。
Ｋｉｍ等發(fā)現(xiàn)前花色素交聯(lián)的殼聚糖 明膠復合膜被消化酶降解的速率,明顯低于明膠膜和未交聯(lián)的復合膜的降解速率。Ｓｈｕ等發(fā)現(xiàn)透明質(zhì)酸 明膠復合膜經(jīng)二硫化物交聯(lián)后,其降解性降低。Ｃｈｉｅｌｌｉｎｉ等研究了廢明膠與聚乙烯醇復合膜,甘蔗渣作填充物,戊二醛作交聯(lián)劑時在土壤中的降解性,發(fā)現(xiàn)包含17%～20%聚乙烯醇和甘蔗渣的復合物,包埋30天后只降解了40%,而純的廢明膠膜在相同條件下降解60%,所以這些填充物不利于膜的降解,并且交聯(lián)也降低了明膠膜的可降解性。Ｇｏｓｗａｍｉ等研究了用苯甲醛樹脂改性的明膠在土壤中的降解性,發(fā)現(xiàn)復合物中明膠量的增加,復合物易于降解。Ｈｕａｎｇ等研究發(fā)現(xiàn)殼聚糖 明膠復合物的降解性優(yōu)于單純的殼聚糖的降解性。
4 明膠與蛋白質(zhì)、糖類、脂類及合成高聚物復合改性
4 1 明膠與蛋白質(zhì)、糖類的復合膜
明膠與生物高分子如蛋白質(zhì)、淀粉、纖維素等復合制成膜,既可以改善其性能,又可以有效降低成本。各組分間的相容性在復合過程中起重要的作用,可以由熱分析如ＤＳＣ測定玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Ｔｇ)來評價兩種組分的相容性。對于二元混合物若只有一個Ｔｇ出現(xiàn)在兩母體聚合物之間，則說明有良好的 相容性:若
有兩個Ｔｇ,但是和母體聚合物相比位置有所移動,則說明形成了半穿連網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的多相體系。Ｊａｇａｎｎａｔｈ等將明膠與淀粉用熱混和與非熱混和的方法復合成可食膜,發(fā)現(xiàn)非熱混和時出現(xiàn)了兩個Ｔｇ,熱混和時只出現(xiàn)一個Ｔｇ，表明了組分間的相容性。Ａｒｖａｎｉｔｏｙａｎｎｉｓ等報道了用水和甘油 、山梨醇、蔗糖增塑的明膠與淀粉復合膜,增塑劑增加,復合膜的ＥＭ和ＴＳ降低，而ＥＢ、氣體通透性增加;低溫(20℃)干燥的膜比高溫(60℃)干燥的膜,具有較高的結(jié)晶度和較低的氣體通透性。
Ｌｉ等將魔芋葡甘聚糖與明膠復合成快速溶解、具有熱封性的可食膜,Ｘｉａｏ等發(fā)現(xiàn)這種復合膜的熱穩(wěn)定性和機械性能提高,脆性得到改善。Ｌｅｅ等將結(jié)冷膠與明膠復合成具有較好的機械性能的膜。Ｄｏｎｇ等把海藻酸鹽和明膠共混并用鈣鹽交聯(lián),用于藥物控釋系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)當明膠含量為50%(ｗｔ)時,復合膜的ＴＳ和ＥＢ最大。
生物高聚物殼聚糖具有良好的生物相容性、可降解性、價格比較低并具有獨特的抗菌性能,在醫(yī)學等領域應用比較廣泛。明膠在高于其等電點ｐＨ=4 7時形成陰離子聚電解質(zhì),帶陽離子電荷的殼聚糖能與之作用。Ｙｉｎ等將殼聚糖與明膠復合成聚電解質(zhì)膜,發(fā)現(xiàn)殼聚糖能提高復合膜的機械性能,即使在較高水含量時,仍能保持一定的ＴＳ和較高的ＥＢ。Ａｒｖａｎｉｔｏｙａｎｎｉｓ等分別在較低和較高溫度下干燥制備殼聚糖 明膠復合膜,并研究了水和多元醇對膜的機械性能、熱性能等的影響。Ｈｕａｎｇ等為了提高殼聚糖的機械和生物性能,做成殼聚糖 明膠復合材料用于組織工程。Ｃｈｅｎｇ等制備了殼聚糖 明膠復合膜,發(fā)現(xiàn)兩者具有良好的相容性,明膠量增加時,膜的吸水量增加,機械性能提高,并且有較低的ＥＭ,較高的ＥＢ,復合膜與神經(jīng)細胞有良好的親合力。
Ｃｈａｍｂｉ等發(fā)現(xiàn)明膠 酪蛋白鈉復合膜比單獨的明膠膜、酪蛋白鈉膜的ＥＢ大,但對膜的ＴＳ和阻水性的影響不大。Ｎｏｏｒｊａｈａｎ等制備纖維蛋白 明膠復合膜,提高了纖維蛋白膜的機械性能,并且為提高這種復合膜的功能性,對其進行化學調(diào)節(jié)。Ｌｉ等用海藻酸鹽、殼聚糖、膠原、明膠或其中兩者的混合物做成膜材料,用于肝細胞的培養(yǎng)。
4 2 明膠與脂類的復合膜
明膠膜有較好的機械性能,但是由于其固有的親水性,所以對水很敏感。脂類膜阻水性較好,但是不透明、較脆、機械強度也較低,可以將明膠和脂類做成復合膜,提高膜的阻水和機械性能。常用的脂類物質(zhì)有脂肪酸、蜂蠟、巴西棕櫚膠、植物油等。
Ｂｅｒｔａｎ等研究了脂肪酸、巴西欖香脂與明膠復合膜的性能,發(fā)現(xiàn)添加脂類物質(zhì)后膜有較好的阻水性能，但機械性能降低，而不透明度和可溶物增加。Ｂｅｒｔａｎ等研究了月桂酸對明膠、乙酸甘油酯及硬脂酸、棕櫚酸復合膜的影響,發(fā)現(xiàn)月桂酸能有效降低復合膜的水蒸氣透過性,同時膜的水溶性和氧氣透過性增加、ＴＳ降低、ＥＢ增加，但對膜的透明性影響不太明顯。Ｋａｒｎｎｅｔ等發(fā)現(xiàn)用硬脂酸改性后的明膠膜具有較低的ＴＳ、較低的濕度吸收和較好的生物降解性,并且硬脂酸為天然產(chǎn)物用于改性明膠比其它化學合成試劑更環(huán)保。
4 3 明膠與合成高聚物的復合膜
合成高分子具有良好的機械性能,易加工成型且價格比較低廉;生物高分子具有良好的生物相容性,但其機械性能較差,價格也比較高;可以利用兩者的優(yōu)點將兩種高分子復合做成生物高分子材料。Ｘｉａｏ等混和不同比例的明膠、聚丙烯酰胺得到透明的、有較好的機械性能和熱穩(wěn)定性的復合膜。Ｃａｓｃｏｎｅ將合成類的聚合物如聚乙烯醇、聚丙烯酸與明膠復合,做成既有好的機械性能又有良好生物相容性的仿生聚合物。Ｔａｎａｋａ等研究了聚乙烯醇 明膠混和體系的相容性,并且與聚乙烯醇 絲心蛋白復合物的機械性能做了比較。Eｌ Ｋａｄｅｒ等用明膠摻雜聚乙烯醇膜并用快速中子照射,研究了其紫外和紅外光譜的變化。Ｗａｎｇ等用明膠對聚(3 羥丁酸 共 3 羥基己酸酯)膜改性控制其降解速度,并且發(fā)現(xiàn)明膠可以提高復合物表面的多孔性和機械性能,更有利于細胞在其上的生長。
明膠含有多種官能團如羥基、羧基、氨基,可以與高聚物共混、共聚改性,改善明膠的性能以滿足不同領域的應用。Ｓｃｈｅｒｚｅｒ等用縮水甘油基甲基丙烯酸甲酯對明膠改性，使其含有Ｃ=Ｃ，然后用電子束對其交聯(lián)改性。Ｓｃｈｅｒｚｅｒ等用縮水甘油基的異丁烯酸對明膠改性,并用電子束照射交聯(lián)改性,改善明膠的溶解性。Ｇｏｓｗａｍｉ等用苯甲醛樹脂有效提高了明膠抵抗細菌侵蝕的能力。Ｄｅｒｋａｔｃｈ等還研究了表面活性劑的濃度、ｐＨ值對明膠乳液膜的界面特征的影響。
此外,一些無機物也可以與明膠膜復合改性。Ｂｉｇｉ等研究發(fā)現(xiàn)當拉伸羥基磷灰石 明膠復合膜時,膠原分子沿變形方向取向,無機晶體相包埋在明膠層中堅固明膠膜,得到各向異性的膜。Ｑｉａｎｇ等利用明膠膜的誘捕和銀納米顆粒的嫁接的共同作用將反 α 胎蛋白固定在鉑電極表面做成電位免疫傳感器。
5 結(jié)束語
明膠膜具有良好的生物相容性和生物可降解性,并且其物化性質(zhì)易被調(diào)節(jié),因而應用領域比較廣泛?？梢酝ㄟ^添加增塑劑、交聯(lián)劑以及與其它天然高聚物、合成高聚物復合等手段改善其性能,為明膠及其復合膜在可食性包裝、自營養(yǎng)覆蓋膜以及醫(yī)學材料等領域的廣泛應用奠定了基礎。
