摘要:明膠膜具有良好的生物相容性和可降解性,并且其物化性質能被調節,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定性。交聯能有效提高明膠膜的機械性能和熱穩定性,減緩明膠的降解速率。交聯包括化學交聯、生物相容性交聯和物理交聯。明膠與蛋白質、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料袋、中成藥的內包裝等;在醫學材料方面,可以用于修復神經組織,可以將藥物固定在明膠膜上制成載體膜等;在農業方面,可以作為自營養性的覆蓋膜,控制一些農藥、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,由分子間連接形成三維網絡結構,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。增塑劑分子的結構和組成影響它破壞蛋白質的鏈間氫鍵和它吸收水分到蛋白質體系的能力。增塑劑的選擇通常要考慮增塑劑與蛋白質間的相容性,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形成鏈間氫鍵,減少蛋白質的分子間力,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構中。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增加，并且玻璃轉化溫度變寬，出現相分離的現象。Ｌｉｍ等研究了甘油對用轉谷氨酰胺酶交聯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,發現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晶出來的現象。
1 2 增塑劑對明膠膜熱穩定性的影響
通常,增塑劑的加入降低了明膠膜的熱穩定性。Ｂａｒｒｅｔｏ等發現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。熱穩定性的降低明顯與山梨醇對蛋白質分子內和分子間氫鍵的影響有關。Ｇｏｓｗａｍｉ等研究發現明膠和三甲基苯酚復合，其熱穩定性提高，并且聚乙二醇400作增塑劑時，復合物的熱穩定性進一步提高,但是當增塑劑用量超過7 7%時,熱穩定性又降低,這是由于聚乙二醇400是通過化學健合作用結合到復合物的,所以對其熱穩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;2)結構水;3)多分子層間的水。在低于玻璃態 橡膠態轉變溫度時,明膠膜比較脆;在水的含量為7%～14%即以結構水存在時,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對明膠膜中分子的運動和氧氣透過性的影響。
2 交聯對明膠膜性能的影響
交聯在明膠膜制備過程中非常重要。交聯能有效提高明膠膜的機械性能和熱穩定性。交聯包括化學交聯、生物相容性交聯和物理交聯?；瘜W交聯是添加化學交聯劑使得明膠分子中的氨基、羧基與交聯劑的某些基團結合。常用的化學交聯劑有甲醛、戊二醛、二異氰酸酯、碳二亞胺、聚環氧化合物和酰基疊氮化物等。生物相容性交聯是用從生物體中提取的天然產物對明膠交聯。物理交聯是通過脫氫熱處理、紫外、γ照射等物理方法對明膠交聯。
2 1 化學交聯
化學交聯劑中，醛類能快速與蛋白質反應，因而被廣泛用于交聯明膠。Ｂｉｇｉ等發現戊二醛的濃度從0 1增加到 1%(ｗｔ)時，交聯度從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定性。王映紅等發現甲醛作為小分子交聯劑,對明膠膜的交聯優于戊二醛,且蒸汽交聯比溶液交聯完全。
Ｃｈｉｅｌｌｉｎｉ等報道戊二醛(ＧＴＡ)的濃度從 1增到 2 5%(ｗｔ)時,交聯的明膠膜的ＥＭ減小,ＥＢ明顯增加,而ＴＳ變化不大。這種現象解釋為明膠溶液冷凝時,同時發生了化學交聯和物理交聯(恢復為膠原的三螺旋結構),增加ＧＴＡ阻礙了明膠的物理交聯。Ｍａｔｓｕｄａ等[24]發現隨著明膠膜中ＧＴＡ濃度的增加,交聯膜與生物組織的粘附強度增加。
Ｃａｒｖａｌｈｏ等比較了甲醛、乙二醛化學交聯和轉谷氨酰胺酶(Ｔｇａｓｅ)交聯對明膠膜性能的影響,發現酶交聯膜的水蒸氣滲透性降低較明顯,甲醛交聯顯著提高了膜的機械性能,化學交聯膜的熱穩定性提高較多。Ｌｉｍ等指出Ｔｇａｓｅ催化酰基轉移反應,在蛋白質分子間和分子內形成ε (γ 谷氨酰胺酰基)賴氨酸的交聯。而通常使用的化學交聯劑醛類,是通過醛基與蛋白質中的氨基形成希夫堿而產生交聯網絡結構的。
2 2 生物相容性的交聯
雖然醛類是蛋白質的有效交聯劑,但是醛類有一定的毒性和鈣化作用,因而限制了其在醫藥和食品領域的應用。人們尋找新的交聯劑和交聯方法,希望得到生物相容的交聯產物,不產生并發毒性。前面提到的Ｔｇａｓｅ就是其中一種生物相容性的酶交聯劑。Ｋｏｌｏｄｚｉｅｊｓｋａ等研究了交聯劑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等用天然交聯劑京尼平交聯明膠膜,發現交聯度隨京尼平的增加而增加到85%,交聯膜的變形性減小、ＥＭ增加,在生理溶液中的溶脹減少,熱穩定性提高。
Ｋｉｍ等用無毒性的交聯劑 前花色素交聯殼聚糖 明膠復合膜。交聯是通過氨基和酯基連接而成的網絡結構,這種交聯結構在水溶液中穩定,并且交聯膜的機械性能和熱穩定性提高。交聯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 硫酸鹽轉化為醛后交聯明膠,發現多糖的氧化程度越高其交聯度越大。這種交聯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明膠膜,結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劑———阿魏酸和單寧酸交聯明膠膜,研究了交聯劑添加量、成膜液ｐＨ值等因素對膜機械、溶脹等性能的影響。
2 3 物理交聯方法
用物理方法交聯,也可以避免使用化學交聯劑時產生的毒性問題。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等用紫外線交聯明膠膜在外科手術中用作反粘附物質,防止組織由于粘附產生的并發癥。
Ｂｉｇｉ等在一定條件下單軸拉伸并用戊二醛交聯明膠膜,得到鏈各向異性、部分取向的明膠膜。發現膜的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。這種現象和明膠復性為膠原的三螺旋結構的程度有關,三螺旋結構增加能夠提高膜的機械強度,降低其溶脹性,并且三螺旋結構隨著Ｂｌｏｏｍ系數的增加而增加。Ｆａｋｉｒｏｖ等通過拉伸甲醛交聯的明膠膜也得到類似的結果,發現當λ為4～5時,Ｅ和σｂ最大;λ再增加時,Ｅ和σｂ減小。Ｖａｓｓｉｌｅｖａ等發現明膠膜有較高的表面微硬度,并且經過熱處理后,其微硬度增加,這是由于加熱產生了分子間和分子內交聯。
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分,所以易于被降解。與合成的高聚物相比,蛋白質沿多肽鏈不含有等同的重復單元,這種不規則結構使得蛋白質鏈不如合成高分子那么容易結晶,所以蛋白質比較容易被降解。通常交聯劑的加入使明膠產生了三維網絡結構,減緩了明膠的降解速率。Ｐａｔｉｌ和Ｄａｌｅｖ等研究了交聯的明膠膜在湖水、河水和土壤中的生物降解性,發現在湖水和河水中甲醛、乙二醛、戊二醛交聯的明膠膜的生物降解最慢,降解最快的是環己二異氰酸酯交聯的膜,其完全降解僅需3～4天,未交聯的膜和雙環氧化丁二烯、二環氧化辛烷交聯的膜完全降解需5～7天;在土壤中也發現類似的結果。
Ｋｉｍ等發現前花色素交聯的殼聚糖 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的復合膜的降解速率。Ｓｈｕ等發現透明質酸 明膠復合膜經二硫化物交聯后,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,戊二醛作交聯劑時在土壤中的降解性,發現包含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,發現復合物中明膠量的增加,復合物易于降解。Ｈｕａｎｇ等研究發現殼聚糖 明膠復合物的降解性優于單純的殼聚糖的降解性。
4 明膠與蛋白質、糖類、脂類及合成高聚物復合改性
4 1 明膠與蛋白質、糖類的復合膜
明膠與生物高分子如蛋白質、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絡結構的多相體系。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,發現非熱混和時出現了兩個Ｔｇ,熱混和時只出現一個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等發現這種復合膜的熱穩定性和機械性能提高,脆性得到改善。Ｌｅｅ等將結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,用于藥物控釋系統,發現當明膠含量為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,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膜,發現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,發現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,復合膜與神經細胞有良好的親合力。
Ｃｈａｍｂｉ等發現明膠 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,對其進行化學調節。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。
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,發現添加脂類物質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,發現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等發現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物用于改性明膠比其它化學合成試劑更環保。
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,并且發現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等研究發現當拉伸羥基磷灰石 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,并且其物化性質易被調節,因而應用領域比較廣泛?？梢酝ㄟ^添加增塑劑、交聯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、自營養覆蓋膜以及醫學材料等領域的廣泛應用奠定了基礎。
