胶原蛋白变身材料新贵

　　作者：赵永旗（河南工程学院）
　　指导老师：苏玉恒（河南工程学院副教授）

　　近年来，胶原蛋白领域的研究十分活跃，进展很快。在对胶原蛋白的利用方面，除主要的医用、美容等方面，新的用途不断被开发。新的用途主要着眼于胶原蛋白独特的宏观物理性能，即纤维性能，用于纺织、造纸、包装材料等领域。

　　撰写背景

　　胶原蛋白又称胶原，是一种天然蛋白质，广泛存在于动物的皮肤、骨、软骨、牙齿、肌腱、韧带和血管中，是结缔组织中极重要的结构蛋白质。胶原是由3条钛链拧成螺旋的纤维状蛋白质，具有很强的韧性、热稳定性和机械强度，而不同组织中的胶原，又有差异，具有独特的功能。

　　近年来，胶原蛋白领域的研究十分活跃，进展很快。在对胶原蛋白的利用方面，除主要的医用、美容等方面，新的用途不断被开发。新的用途主要着眼于胶原蛋白独特的宏观物理性能，即纤维性能，用于纺织、包装材料等领域。国内外目前对胶原蛋白的研究，多集中在化妆品、医学领域，在纺织纱线生产领域尚未见相关研究报告。目前对胶原蛋白纤维很有必要进行研究。

　　2011年，由河南工程学院纺织工程系申报，经郑州市科技局批准，确立郑州市科技攻关项目《胶原蛋白纤维纺纱性能研究》。该研究课题对上海全宇生物科技驻马店遂平有限公司生产的我国拥有完全自主知识产权的胶原蛋白改性合成纤维进行了纺纱性能研究。在纺织系苏玉恒老师的指导下，使用河南工程学院纺织实验室的实验仪器和河南工程学院实训中心棉纺实验机，由赵永旗同学在实验室各位老师的帮助下完成了对该胶原蛋白纤维各项性能的测试、纺纱实验及对所纺纱性能的测试分析，得出该纤维具有可纺性的结论。
　　
　　高纯度胶原蛋白易降解

　　胶原蛋白结构由三条肽链螺旋组成，其特有的结构和化学组成使其具有许多独特的功能，如生物降解性、成纤性能、止血性能、免疫性能、离子和大分子结合性能、静电学性能等。

　　胶原蛋白独特的功能使胶原蛋白在医学、化妆品、食品、化工原料、纺织等方面都有应用。从动物骨骼中得到的骨胶原蛋白纤维，如从牛屈肌腱的骨胶原悬浮液制得的胶原蛋白纤维强度高，可作为医用缝合线，这种缝合线在人体酶解后可以被组织吸收，生物适应性优良，无抗原性，生物体吸收良好。胶原蛋白制成的化妆品，能促进皮肤的新陈代谢，增强循环，达到滋润皮肤、保持皮肤润泽等。在食品加工中，胶原蛋白能制作成香肠肠衣；经调浆、成型、干燥、油炸等工序制作成胶原小食品。由于胶原纤维具有吸音性、微弹性、耐磨性等，日本采用胶原纤维、合成纤维与植物纤维以一定的比例混合生产出特种壁纸。胶原蛋白在纺织领域主要是对其他纤维的改性应用。

　　胶原蛋白纤维的生产，首先要从动物的皮、软骨等原料中提取胶原蛋白。目前提取胶原蛋白的方法主要有酸法、碱法、盐法、酶法、综合法。有些特殊用途的胶原蛋白还要经过进一步的纯化。

　　纯天然胶原蛋白纤维材料一般不能完全满足人们实际生活的需要，纯度高的胶原蛋白纤维易发生降解，且纺出的丝强度太低。因此，胶原蛋白纤维多是利用胶原蛋白对纤维进行改性而成。如胶原蛋白与聚丙烯腈不同比例的共混纺丝，胶原蛋白和丙烯腈的质量比为2∶98的条件下，聚合溶液具有良好的可纺性。利用从动物生皮或皮革工业废弃物中分离得到胶原蛋白，经质量分数为20%的丙烯酸单体接枝改性后与质量分数为18%的聚乙烯醇混合，在70℃下搅拌2小时，在40℃的凝固浴下进行共混纺丝，经湿法纺丝、凝固、拉伸和缩醛化处理后，制得具有良好吸湿性和染色性能的胶原蛋白/PVA复合纤维。

　　最佳配方与主要技术条件

　　本课题所使用的纤维是由上海全宇生物科技遂平有限公司开发生产，是我国拥有自主知识产权的的新型纤维，其原料为动物蛋白及羟基、氰基高聚物。生产原理是用酸水解的方法提取胶原蛋白，并将胶原纤维改变空间结构使之在适当的条件下与羟基和氰基高聚物接枝，通过湿法纺丝生产出胶原蛋白纤维丝。在纺丝过程中，牵伸使纤维大分子达到一定的取向度，然后丝束经过卷曲、热定型、切断等就成为纺织用的胶原蛋白纤维，经出厂测定，其氨基酸总含量为12.35%。整个生产过程对环境、空气、人体、土壤、水质等基本无污染，纤维本身易生物降解，属于绿色环保纤维。

　　胶原蛋白纤维适合纺中细特纱

　　为了对胶原蛋白纤维的形态特征、理化性能有一个比较系统全面的了解，本课题对该纤维进行了全面的性能测试。

　　实验仪器：Y171型纤维切断器、电子天平、生物显微镜、LLY－06B型电子纤维强力仪、Y151型纤维摩擦系数仪、YG362型卷曲弹性仪、放大镜YG747型通风式快速八篮恒温烘箱、YG321型纤维比电阻测试仪及其附件等。

　　通过对胶原蛋白纤维的长度、细度、强力、摩擦因数、卷曲性能、质量比电阻、回潮率、含油率，以及纤维的热学性能分析，得出如下结论：

　　纤维的长度、细度适中，适合纺中细特纱；断裂强力相对较高，所纺纱线及其织物强度较好；湿态强度同干态强度相比差距不大，在纺纱过程中车间的相对湿度对该纤维强度的影响较小；胶原蛋白纤维的摩擦因数相对其他纤维偏低，且动、静摩擦因数差值较小，使纺出的纱条抱合力差，松散易断，纺纱过程中要加大纱线捻度或适当加入一定量的油剂；卷曲数较多，能弥补因纤维摩擦因数较小而纱条抱合力差的弱点；纤维的回潮率相对化学纤维较大，且质量比电阻也较小，在纺丝过程中又加上了较多的油剂，具有较好的防静电性能；耐热学性能比较好，但在高温下会出现一定的热收缩。

　　胶原蛋白有利于提高成纱条干

　　现将14.6tex和21tex的纱编为1组和2组，八管纱编号为A1、B1、C1、D1和A2、B2、C2、D2。对混纺纱分别进行强伸性、毛羽、条干测试。

　　实验仪器：YG061——1500单纱强力测试仪、YG171纱线毛羽测试仪YG135条干均匀度测试分析仪。

　　对混纺纱的测试结果可看出，纱的这几项数据和纱线的分等标准有一定的差距，这主要是因为纺纱使用的小型实验机和工厂车间内的机械有很大的出入，在一定的程度上影响了所纺纱的质量。但通过对不同细度、不同混比的纱对比分析不难看出：

　　一是同一组混纺纱，随着胶原蛋白纤维含量的增加，混纺纱的断裂强度逐渐增加，纱的断裂伸长率越大。

　　二是纯棉纱的毛羽比混纺纱多，在线密度相同的同一组混纺纱中，可以看出胶原蛋白纤维混比越大，而纱的毛羽指数越小，同时可以看出胶原蛋白纤维混比相同，而混纺纱的线密度大时，纱的毛羽数较多。

　　三是从纤维的测试分析得出胶原蛋白纤维的各项性能对提高混纺纱的条干均匀率是有利的，但所纺制的这几种纱的条干并没有明显的提高，这可能是由于在小型实验机上胶原蛋白纤维开松较差从而纤维分离度差，同时所混用的原棉性能差，以及加工工艺和机械性能等原因造成的。

　　从以上三个实验数据分析可得出本实验所用的胶原蛋白纤维是可纺性很好的纤维。制得的混纺纱强力较大，断裂伸长较大；胶原蛋白纤维的混比较大时，成纱的毛羽有所改善；胶原蛋白的各项优良的性能，有利于提高成纱的条干。

　　胶原蛋白纤维具有止血功能

　　胶原蛋白纤维具有很多独特的优点使其具有特殊的用途，具有止血功能，可用其生产医用绷带、紧急止血带。同时纤维柔软顺滑，有较好的皮肤亲合性和一定的抗菌性，可用其生产贴身的衣物。但考虑到胶原蛋白纤维生产价格比较高，选择其他原料混用。胶原纤维与植物纤维的天然线性高分子形态相似，而一般的医用绷带、内衣也常用棉纤维生产，故选择胶原蛋白纤维和棉纤维混纺。

　　利用校实验室内东华大学生产的棉纺小样机进行纺纱。小样机有4台机械组成：DHUA202型清梳小样机→DHUA301型并条实验机→DHUC01型棉型粗纱试验机→DHUX01型棉型细纱实验机。

　　各工序工艺原则及工艺参数

　　一是清梳工序：采用“轻定量、低速度、快转移、少损伤、小张力牵伸、轻打多梳”的工艺原则。因胶原蛋白纤维膨松性好，定量不宜过重，否则容易堵塞喇叭口；纤维长度整齐度好、短绒少、不含杂质、抱合力差，适当降低开棉刀片打手的速度；道夫速度适当降低，可减轻梳理负荷，锡林与道夫间的隔距适当偏小掌握，有利于纤维顺利转移。
　　
　　二是并条工序：采用低速度、重加压、中定量、大隔距的工艺原则。为确保混纺比准确和混合均匀，采用先预并和后三道混并，共四道并条工艺。根据不同的混纺比来安排棉与胶原蛋白生条进行混条。

　　三是粗纱工序：采用“重加压、慢车速、适当偏大捻度”的工艺原则，适当放大罗拉隔距。

　　四是细纱工序：以“小隔距，中加压，低车速，小后区牵伸，大后罗拉隔距，中硬度胶辊”为工艺原则。

　　根据以上工艺原则和工艺参数，在实验机上纺制出14.6tex和21tex两种线密度，胶原蛋白纤维含量分别为0%、10%、20%、30%4种不同混纺比的八管纱。

　　随着人们生活水平和质量的不断提高，胶原蛋白纤维作为一种新型功能性纤维，其研究和应用将更加广泛。胶原蛋白资源将更合理的被人们利用。

　　医用缝合线

　　医用缝合线是一种用于人体手术缝合的线型材料。从材质发展来看，其经历了丝线、羊肠线、化学合成线和纯天然胶原蛋白缝合线。根据原材料的来源，医用缝合线可分为天然缝合线（动物肌腱缝线、羊肠线、蚕丝和棉花丝线）和人造缝合线（尼龙、聚乙烯、聚丙烯、PGA、不锈钢丝和金属钽丝）两种。

　　随着人们生活水平的逐步提高和对美的不断追求，现在更倾向于选用吸收效果更好，拉力更强，综合性能更理想的纯天然胶原蛋白缝合线。纯天然胶原蛋白缝合线取自特种动物肌腱组织，具有胶原蛋白材质的诸多特性，和其他缝合线相比具有吸收效果好、拉力强、促进伤口愈合等独有功能。