生物材料工程導(dǎo)論-天然高分子材料1

天然高分子生物材料2023/2/52高分子材料高分子天然高分子：自然界天然存在的高分子半天然高分子：經(jīng)化學(xué)改性后的天然高分子合成高分子：由單體聚合人工合成的高分子2023/2/53天然高分子材料合成高分子20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了可再生資源（renewableresources，RR）一詞，它定義為“來源于動(dòng)、植物且用于工業(yè)上（包括能源、功能化應(yīng)用和化學(xué)修飾）的產(chǎn)物，也包括非營(yíng)養(yǎng)用食品以及食品加工中的廢棄物和副產(chǎn)物”。近年又出現(xiàn)了另一引人注目的名詞—“生物質(zhì)”(biomass)，它是指由植物或動(dòng)物生命體衍生得到的物質(zhì)的總稱，主要由有機(jī)高分子物質(zhì)組成。來自于動(dòng)、植物可再生資源的有機(jī)高分子將有可能成為未來的主要化工原料，并在材料領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。這些自然界動(dòng)、植物以及微生物資源中的大分子，一般稱為天然高分子。2023/2/54天然高分子材料來源于植物的天然高分子主要有纖維素(cellulose)、木質(zhì)素(1ignin)、淀粉(starch)、蛋白質(zhì)(protein)、天然橡膠(naturalrubber，polyisoprene)、生漆(lacquer)、果膠(Pectin)、魔芋葡甘聚糖(konjacglucomannan)、木聚糖(xylan)、果阿膠(guargum)、海藻酸鹽(alginate)和鹿角萊膠(cara8een)等。來自于動(dòng)物的天然高分子主要有甲殼素(chitin)、殼聚糖(chitosan)、酪蛋白(casein)、透明質(zhì)酸(hyaluronicacid)、蛋白質(zhì)(protein)、核酸(nucleicacid)、絲蛋白(silkfibroin)、紫蟲膠(shellac)等。2023/2/55天然高分子材料由微生物直接得到的出芽霉聚糖(Pullulan)、凝膠多糠(curdlan)、黃原膠(xanthangum)、吉蘭糖膠(gellangum)等也屬此類。由微生物發(fā)酵產(chǎn)物合成的高分子主要有聚乳酸(Polylacticacid，PLA)、聚己內(nèi)配(PCL)、聚經(jīng)基烷酸酯(polyhydroxyalkanoates，PHA，PHB，PHH，PHBV)等。此外，無機(jī)天然高分子有云母(mica)、石墨(graphite)、輝石(pyroxen)等。2023/2/56天然高分子材料天然高分子都是處在一個(gè)完整而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠袡C(jī)超分子體系內(nèi)，如，最簡(jiǎn)單的木材、骨、毛發(fā)及甲殼等，它們都不是一個(gè)簡(jiǎn)單的體系。木材是由纖維素及木質(zhì)素為主要成分構(gòu)成的超分子體系，是一種復(fù)合材料。纖維素是增強(qiáng)劑，木質(zhì)素是基質(zhì)，它的三維體型結(jié)構(gòu)把纖維包裹起來。因此，木材既有強(qiáng)度，又耐老化，能作立木頂千斤，能作屋梁百年不腐，是大自然提供給人類的理想復(fù)合材料。2023/2/57天然高分子材料天然高分子都是處在一個(gè)完整而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠袡C(jī)超分子體系內(nèi)，如，最簡(jiǎn)單的木材、骨、毛發(fā)及甲殼等，它們都不是一個(gè)簡(jiǎn)單的體系。木材是由纖維素及木質(zhì)素為主要成分構(gòu)成的超分子體系，是一種復(fù)合材料。纖維素是增強(qiáng)劑，木質(zhì)素是基質(zhì)，它的三維體型結(jié)構(gòu)把纖維包裹起來。因此，木材既有強(qiáng)度，又耐老化，能作立木頂千斤，能作屋梁百年不腐，是大自然提供給人類的理想復(fù)合材料。2023/2/58天然高分子材料人類賴以生存的世界是無數(shù)個(gè)層次不同的天然高分子體系組成的和諧的統(tǒng)一體。因此，天然高分子對(duì)于人類的重要性絕不僅僅表現(xiàn)在衣、食、住、行這些有形的作用上，更是今后主要的可再生的物質(zhì)資源。人體本身，就是以高分子為主要成分而構(gòu)成的，是一個(gè)高級(jí)的天然高分子體系。人體結(jié)構(gòu)的基本單位是細(xì)胞。細(xì)胞之間存在著非細(xì)胞結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，稱為細(xì)胞間質(zhì)。細(xì)胞間質(zhì)由有機(jī)質(zhì)和無機(jī)質(zhì)構(gòu)成。人體由細(xì)胞與細(xì)胞間質(zhì)組成組織，由組織構(gòu)成器官，功能相似的器官組成系統(tǒng)，由八大系統(tǒng)組成一個(gè)人體。2023/2/59天然高分子生物材料人類機(jī)體的皮膚、肌肉、組織和器官都含有高分子化合物，天然高分子生物材料是人類最早使用的醫(yī)用材料之一。天然材料具有不可替代的優(yōu)點(diǎn)：功能多樣性、與機(jī)體的相容性好、生物可降解性，還可以進(jìn)行改性、復(fù)合和雜化等處理。2023/2/510天然高分子生物材料目前天然高分子生物材料主要有：天然蛋白質(zhì)材料：膠原蛋白和纖維蛋白兩種天然多糖類材料：纖維素、甲殼素和殼聚糖等天然高分子生物材料由于結(jié)構(gòu)和組成的差異，表現(xiàn)出不同的性質(zhì)，應(yīng)用于不同的方面。2023/2/511一、天然蛋白質(zhì)材料蛋白質(zhì)（protein）是一類結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能特異的天然高分子化合物，存在于所有的生物體中，是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，沒有蛋白質(zhì)就沒有生命。生物體內(nèi)的一切生命活動(dòng)幾乎都與蛋白質(zhì)有關(guān)，例如，在新陳代謝中起催化作用的酶和調(diào)節(jié)作用的某些激素，在抗御疾病中起免疫作用的抗體以及致病的病毒、細(xì)菌等都是蛋白質(zhì)。近代生物學(xué)研究表明，蛋白質(zhì)的作用不僅表現(xiàn)在遺傳信息的傳遞和調(diào)控方面，而且對(duì)細(xì)胞膜的通透性及高等動(dòng)物的思維、記憶活動(dòng)等方面也起著重要的作用。2023/2/512天然蛋白質(zhì)材料蛋白質(zhì)的元素組成：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，種類繁多，估計(jì)人體內(nèi)就有10萬種以上的蛋白質(zhì)，其質(zhì)量約占人體干重的45%。蛋白質(zhì)的組成元素主要是C、H、O、N四種，此外大多數(shù)含有S，少數(shù)含有P、Fe、Cu、Mn、Zn，個(gè)別蛋白質(zhì)還含有I或其它元素。一般蛋白質(zhì)中主要元素的百分組成為：C50～55%，H6～8%，O20～23%，N15～17%，S0～4%。2023/2/513天然蛋白質(zhì)材料蛋白質(zhì)的特殊功能是由其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)決定的。蛋白質(zhì)是由各種-氨基酸以肽鍵結(jié)合而成的高聚物，蛋白質(zhì)多肽鏈中氨基酸的種類、數(shù)目和排列順序決定了每一種蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，從而又決定了蛋白質(zhì)的各種生理功能。2023/2/514天然高分子生物材料蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能在很大程度上取決于其空間結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)象多樣性導(dǎo)致了不同的生物學(xué)功能。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系研究是進(jìn)行蛋白質(zhì)功能預(yù)測(cè)及蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)分子只有處于它自己特定的三維空間結(jié)構(gòu)情況下，才能獲得它特定的生物活性；三維空間結(jié)構(gòu)稍有破壞，就很可能會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)生物活性的降低甚至喪失。2023/2/515天然蛋白質(zhì)材料由于生物組織中絕大部分氮元素都來自蛋白質(zhì)，而含氮的非蛋白質(zhì)物質(zhì)約占蛋白質(zhì)含氮量的1%，因此可將生物組織中的含氮量看作全部來自蛋白質(zhì)，而且各種來源的蛋白質(zhì)的含氮量相當(dāng)接近，平均約為16%，即每克氮相當(dāng)于6.25g的蛋白質(zhì)，因此只要測(cè)定生物樣品中的含氮量，就可計(jì)算出其中蛋白質(zhì)的大致含量。2023/2/516天然蛋白質(zhì)材料牛奶中蛋白質(zhì)含量為3.0～3.5g/100g。蛋白質(zhì)含量初生嬰兒乳粉必須大于10.0％，其余年齡段乳粉必須大于15.0％；蛋白質(zhì)主要由氨基酸組成，其含氮量一般不超過30%。尿素分子式是CO(NH2)2，化學(xué)名稱叫碳酰二胺，含氮46%。因?yàn)樵谌四蛑泻羞@種物質(zhì)，所以取名尿素。三聚氰胺分子式為C3N3(NH2)3，又名氰尿酰胺，俗稱蜜胺，是一種有機(jī)化工中間體，含氮量為66％左右。2023/2/517天然蛋白質(zhì)材料蛋白質(zhì)的分類蛋白質(zhì)的種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，迄今為止沒有一個(gè)理想的分類方法。著眼的角度不同，分類也就各異。從蛋白質(zhì)形狀上，可將它們分為球狀蛋白質(zhì)及纖維狀蛋白質(zhì)。從組成上可分為單純蛋白質(zhì)（分子中只含氨基酸殘基）及結(jié)合蛋白質(zhì)（分子中除氨基酸外還有非氨基酸物質(zhì)，后者稱輔基）。2023/2/518天然蛋白質(zhì)材料根據(jù)蛋白質(zhì)的功能分為活性蛋白質(zhì)（activeprotein）和結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)（structuralprotein）兩大類?；钚缘鞍踪|(zhì)是指一切在生命運(yùn)動(dòng)中具有生物活性的蛋白質(zhì)和它們的前體，如酶蛋白、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、運(yùn)動(dòng)蛋白、保護(hù)和防御蛋白、激素蛋白、受體蛋白、營(yíng)養(yǎng)和儲(chǔ)存蛋白以及毒蛋白等。結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)是指一類擔(dān)負(fù)著生物保護(hù)或支持作用的蛋白質(zhì)，如角蛋白、彈性蛋白和膠原蛋白等。2023/2/5191、膠原蛋白膠原蛋白也稱膠原，是脊椎動(dòng)物的主要結(jié)構(gòu)蛋白，是支持組織和結(jié)構(gòu)組織（皮膚、肌腱和骨骼的有機(jī)質(zhì)）的主要組成成分。膠原來源廣泛，被廣泛應(yīng)用。由于膠原與人體組織相容性好，不易引起抗體產(chǎn)生，植入人體后無刺激性、無毒性反應(yīng)，能促進(jìn)細(xì)胞增殖，加快創(chuàng)口愈合并具有可降解性，可被人體吸收，降解產(chǎn)物也無毒副作用。膠原基本單位為原膠原蛋白，由三條α—肽鏈相互擰成的三股螺旋狀結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，其分子量為30萬左右。由不同種類的動(dòng)物分離出來的膠原結(jié)構(gòu)極其相似。2023/2/520Collagenismadeupofatriplehelixstructure.It'sbasicstructuralunitisalong,thinproteinthatismadeupofthreecoiledchains.Eachofthesechainsconsistsof1050aminoacids.Somecollagenactsdifferentlythanothertypesandismainlyduetothevaryingstrandsoftheseproteins.天然高分子生物材料

膠原蛋白的結(jié)構(gòu)類似繩索，由無數(shù)根膠原纖維束所組合而成。膠原蛋白最基本的單位為原膠原，是由三條多肽鏈所組成的，而此三條多勝肽鏈則以平行及鏈間的氫鍵緊密地結(jié)合。2023/2/521CollagenArt（世界奇觀…..）2023/2/522膠原蛋白人體成分中有16％左右是蛋白質(zhì)，膠原蛋白占體內(nèi)蛋白質(zhì)總量的30～40％，故成年人體內(nèi)約有3Kg左右膠原蛋白，主要存在于皮膚肌肉、骨骼、牙齒、內(nèi)臟（如胃、腸、心肺、血管與食道）與眼睛等處。膠原具有無抗原性良好的生物相容性可參與組織愈合過程在止血促進(jìn)傷口愈合、作為燒傷創(chuàng)面敷料、骨移植替代材料、組織再生誘導(dǎo)物方面得到廣泛應(yīng)用。但膠原材料具有降解快、機(jī)械強(qiáng)度小等缺點(diǎn)。2023/2/523膠原蛋白的類型及其在組織中的分布形

式各單鏈分子量組織分布Ⅰ100，000皮膚、骨骼、血管等多數(shù)結(jié)締組織Ⅱ100，000透明軟骨、玻璃體Ⅲ100，000軟骨Ⅳ100，000血管、皮膚、肉芽組織Ⅴ175，000－185，000細(xì)胞基底膜Ⅵ

透明軟骨外之大部分細(xì)胞周圍組織Ⅶ

子宮、胎盤與皮膚Ⅷ

表皮細(xì)胞與基底膜Ⅸ180，000主動(dòng)脈血管細(xì)胞、角膜內(nèi)細(xì)胞Ⅹ69，000－85，000軟骨、眼后房水Ⅺ59，000肥厚組織、軟骨Ⅻ

皮膚、筋、軟骨XⅢ

表面組織、小腸粘膜XⅣ

軟骨、皮膚、筋、胎盤XⅤ

織維母細(xì)胞XⅥ

立方羊膜表皮之下XⅦ

大水皰性類皰瘡2023/2/524膠原蛋白由細(xì)胞分泌的膠原蛋白分子能裝配成非常有特征件的纖維，以負(fù)責(zé)組織結(jié)構(gòu)的完整性，諸如骨、軟骨、皮膚和肌腱。膠原蛋白還是另一類組織，如血管以及大多數(shù)器官的結(jié)構(gòu)性骨架。這些膠原蛋白的性質(zhì)可隨年齡、組織酌定位以及疾病而變化。其中有些組織的膠原蛋白纖維變得恒定，成為幾乎無法替代的固定物，而另一些組織（如骨，經(jīng)常有重新塑造的現(xiàn)象）的膠原蛋白則變化很大，甚至在成人個(gè)體中也是如此。2023/2/525膠原蛋白1．物理和生物力學(xué)性能人體組織的物理性能隨膠原蛋白纖維的量和結(jié)構(gòu)的變化而不同。通常，富含膠原蛋白的組織含有75％～90％的膠原蛋白（干重）。膠原蛋白纖維（膠原纖維束）在特定的結(jié)構(gòu)部位由于它們各自的功能而在不同的組織中以不同的構(gòu)型排列。例如，膠原纖維在腱和韌帶中由于高的抗拉強(qiáng)度的要求而以平行的方式排列，而皮膚中的纖維則以隨機(jī)方式排列，以提供組織在壓力下的彈性。2023/2/526天然高分子生物材料Electronmicrographsskincollagen2023/2/527天然高分子生物材料Collagenfibrils,showingtheircharacteristic'Dbanding'morphology.Thesecollagenfibrilsarepresentinthejointcapsuletissuethatsurroundstheknee.Magnification14000xDetectorTLDVoltage5.00kVHorizontalFieldWidth2.13μmImagecourtesyofPaulGunning,Smith&Nephew2023/2/528天然高分子生物材料2023/2/529膠原蛋白2．生物學(xué)性能(1)止血性能天然的膠原聚集體實(shí)際上是止血?jiǎng)?。膠原誘導(dǎo)止血的機(jī)制已是許多研究的主題。從研究中得到的普遍結(jié)論是血小板首先粘附在膠原表面，誘導(dǎo)血小板釋放，緊接著是血小板聚集，產(chǎn)生最終的止血栓。膠原的止血活性依賴于膠原聚集體的大小和分子的天然結(jié)構(gòu)，而變性的膠原（明膠）誘導(dǎo)止血?jiǎng)t是無效的。2023/2/530膠原蛋白2．生物學(xué)性能(2)細(xì)胞相互作用性能膠原蛋白是結(jié)締組織普遍存在的成分，是器官和組織必不可少的構(gòu)造骨架。膠原蛋白作為細(xì)胞生長(zhǎng)的依附和支架物，能誘導(dǎo)上皮細(xì)胞等的增殖、分化和移行。研究發(fā)現(xiàn)，許多的細(xì)胞，如上皮和內(nèi)皮細(xì)胞，滯留在膠原表面或膠原甚質(zhì)內(nèi)，如許多結(jié)締組織細(xì)胞的基質(zhì)。在胚胎發(fā)育以及成年人的傷口愈合和組織改型期間，膠原蛋白和細(xì)胞的相互作用是細(xì)胞活動(dòng)的一個(gè)必不可少的特征。2023/2/531膠原蛋白2．生物學(xué)性能(3)免疫性能膠原的抗原性相當(dāng)?shù)?，?954年以前，甚至認(rèn)為膠原不具有抗原性。最近的研究表明，膠原有3種類型的抗原因子：第1類是由膠原肽鏈非螺旋的端肽引起的；第2類是由膠原三股螺旋的構(gòu)象引起的；第3類是由α鏈螺旋區(qū)的氨基酸順序引起的。第2類抗原因子僅存在于天然膠原分子中，第3類只出現(xiàn)在變性膠原中，而第1類抗原因子在天然和變性膠原蛋白中均存在。20世紀(jì)90年代以來，人們發(fā)現(xiàn)Ⅰ型膠原的免疫原性比Ⅲ型、Ⅴ型Ⅵ型膠原低得多，其組織膠原的端肽的免疫原性比螺旋微區(qū)以及其它微區(qū)都要強(qiáng)。2023/2/532膠原蛋白3．生物合成膠原蛋白主要由成纖維細(xì)胞或與其來源相類似的細(xì)胞如成骨細(xì)胞、成軟骨細(xì)胞等合成。膠原蛋白的合成包括一系列的過程。首先合成多膚鏈，進(jìn)而形成膠原蛋白分子。其次，是由膠原蛋白分了形成膠原原纖維，進(jìn)一步聚合形成膠原纖維和膠原束。膠原蛋白合成的前期在細(xì)胞內(nèi)，后期在細(xì)胞外。2023/2/533膠原蛋白3．生物合成各型膠原蛋白在組織中的分布和功能各異。一般認(rèn)為，Ⅰ型膠原蛋白分布最廣，量最大，起支架作用，分布于皮膚、血管、臟器間質(zhì)和包膜等中，由成纖維細(xì)胞等產(chǎn)生。Ⅲ型和Ⅰ型膠原蛋白是皮膚膠原的主要類型，與皮膚張力密切相關(guān)，Ⅲ型膠原蛋白比例在不同疾病中不同，在創(chuàng)傷愈合早期，Ⅲ型膠原蛋白含量高于正常，隨著創(chuàng)傷組織逐漸愈合而恢復(fù)正常。Ⅱ型膠原蛋白只分布于軟骨和玻璃體中，內(nèi)軟骨細(xì)胞產(chǎn)生，與Ⅹ型膠原蛋白等共同構(gòu)成軟骨基質(zhì)，具有促進(jìn)軟骨細(xì)胞分化酌作用。2023/2/534天然高分子生物材料SchematicdiagramofTypeIcollagenfibrilstructure.Helicalcollagenmoleculesformfromthreepolypeptidechains,andtheseassociatelaterallytoformcollagenfibrilswithacharacteristicbandedstructure.2023/2/535膠原蛋白的提取方法提取膠原蛋白的大概過程是去除油脂，去除雜蛋白，膠原蛋白析出，純化等。目前，膠原的提取方法主要有4種，即酸法、堿法、鹽法和酶法。]型膠原的制備以豬筋腱為主要原料，利用3%的鹽水脫脂、去血清等成份，搗碎，然后用5%的醋酸和胃蛋白酶溶解，鹽析，再酸溶，用水透析至中性備用。膠原蛋白2023/2/536膠原蛋白的提取方法。取新鮮豬皮，用剖層機(jī)取上層，除去皮下組織，然后進(jìn)行浸水、脫脂、二次脫脂、滾酶堆置、臀部涂酶、浸灰、脫灰、浸硝、剖層、修邊、稱重等預(yù)處理，再用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%～0.5%的胰酶和0.3%～0.5%的1398蛋白酶處理。膠原蛋白2023/2/537膠原蛋白的提取方法。新鮮成年冷凍牛腱切成0.5mm左右的薄片，放入0.05M乙酸中(pH3.2)，使其最終濃度為1.5~2.5%(W/V)膠原-乙酸溶液，置4℃冰箱48~72h。將膨脹的膠原倒入組織搗碎機(jī)中(1500r/min)開30秒停30秒,重復(fù)4~5次，用80~100#尼龍網(wǎng)過濾去除膠原溶液中殘存有少許膨脹不佳的膠原顆粒。在搗碎和過濾膠原期間，空氣會(huì)混入膠原液內(nèi)形成大小不等的氣泡，膠原液倒入抽濾瓶中直接抽氣(真空泵)或倒入燒杯內(nèi)置真空干燥箱內(nèi)減壓脫泡，即成均勻的膠原溶液。膠原蛋白2023/2/538膠原的應(yīng)用膠原凝膠用作創(chuàng)傷敷料粉末用于止血?jiǎng)┖退幬镝尫畔到y(tǒng)紡絲纖維用作人工血管、人工皮、人工肌腱和外科縫線薄膜用于角膜、藥物釋放系統(tǒng)和組織引導(dǎo)再生材料管用于人工血管、人工膽管和管狀器官空心纖維用于血液透析膜和人工肺膜海綿用于創(chuàng)傷敷料和止血?jiǎng)┑?。膠原蛋白2023/2/5392、明膠明膠是膠原的部分變性衍生物，它由膠原的三重螺旋結(jié)構(gòu)解體為單鏈分子而形成。實(shí)驗(yàn)證明明膠無抗原性。明膠有兩種類型，即明膠A和明膠B，明膠A是在熱變性前用酸預(yù)處理的明膠，而明膠B則是用堿預(yù)處理，使其谷氨酞胺與天冬酞胺的酞胺殘基轉(zhuǎn)變成谷氨酸和天冬氨酸，因此明膠B的梭基含量至少比明膠A的梭基含量高25%。膠原蛋白水解圖2023/2/540明膠“膠原蛋白”和“明膠”最大的不同，就在于其分子結(jié)構(gòu)的差異。膠原蛋白必須具備完整的三股螺旋體結(jié)構(gòu)，分子量約在283,000道爾頓，而明膠分子量不規(guī)則，大至幾百萬、小至幾十，所以不具備原有生物體的活性與功能。2023/2/541明膠的性質(zhì)

明膠來源于膠原蛋白的水解，它的性質(zhì)與膠原蛋白的結(jié)構(gòu)有關(guān)，膠原蛋白的分子水解時(shí)，三股螺旋互相拆開，而且膚鏈有不同程度的斷裂，生成能夠溶于水的大小不同的碎片，明膠實(shí)際上就是這些碎片，市售明膠呈淡黃色，外型有薄片狀、粒狀，無味，無臭。酸法明膠密度為1.325g/cm3，堿法明膠密度為1.283g/cm3。2023/2/542明膠的性質(zhì)

1．溶脹和溶解

明膠遇冷水會(huì)溶脹，投入水中2h，可充分溶脹(吸收5，10倍水)，在熱水中(加熱至40℃)即完全溶解成溶液。水溶液中明膠分子的構(gòu)型、物理性質(zhì)隨所處的環(huán)境而不同。明膠水溶液中分子存在兩種可逆變化的構(gòu)型：溶膠形式A=凝膠形式B溶膠形式A存在于較高的溫度(35℃)以上。在15-35℃的范圍內(nèi)，兩種形式的明膠分子成平衡狀態(tài)共存。2023/2/543明膠的性質(zhì)明膠分子與其它蛋白質(zhì)一樣，在不同pH溶液中，可成為正離子、負(fù)離子或兩性離子(等電A)。在等電點(diǎn)時(shí)，溶脹吸水量最小，加入脫水劑時(shí)，在40℃以上能出現(xiàn)單凝聚。明膠在所有pH范圍內(nèi)都易溶于水，如加入與明膠分子上電荷相反的聚合物，則帶電荷的聚合物能使明膠從溶液中析出，例如阿拉伯膠帶負(fù)電荷，能和帶正電荷的弱酸性明膠溶液反應(yīng)，溶解度急劇下降。這種共凝聚作用在工藝上最重要的用途，就是制備微型膠囊。2023/2/544明膠的性質(zhì)明膠與有些有機(jī)溶劑有相容性，如甘油、丙二醇、山梨醇、甘露糖醇、二甲基亞諷、甲酚胺、冰醋酸、N-甲基甲酚胺、乙酚胺和2-吡咯烷酮等。明膠不溶于一元醇、醚、丙酮、氯仿、脂肪油和揮發(fā)油。固體明膠通常含少量水分，其含水量一般在10%-15%，實(shí)際上這部分水起著增塑劑的作用，含水量太低(5%以下)的明膠太脆，一般都需加入甘油或其它多元醇作為增塑劑。2023/2/545明膠的性質(zhì)明膠溶液可因溫度降低而形成具有一定硬度、不能流動(dòng)的凝膠，明膠溶液形成凝膠的濃度最低極限值約為0.5%，凝膠存在的溫度最高為35℃。凝膠形成后，它的結(jié)構(gòu)向膠原構(gòu)型的變化歷時(shí)很長(zhǎng)，要經(jīng)歷不同階段，其螺旋結(jié)構(gòu)的比例逐步增加。明膠分子互相結(jié)合而成三維空間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，明膠分子的運(yùn)動(dòng)受到限制，但其中間夾持的大量液體卻有正常的粘度，電解質(zhì)離子在其中的擴(kuò)散速度和電導(dǎo)與在溶膠中者相同，而在干燥的明膠中所保存下來的只是任意卷曲的松散的構(gòu)型，和完全變性的蛋白質(zhì)凝膠有類似的結(jié)構(gòu)。2023/2/546明膠的性質(zhì)明膠在室溫、干燥狀態(tài)下比較穩(wěn)定，可放置數(shù)年，在較高的溫度(35-40℃)和濕度下保存的明膠傾向于失去溶解性，其原因或許是明膠分子的聚合，此外還包括交聯(lián)和氫鍵作用。在水溶液中，明膠能緩慢地水解轉(zhuǎn)變成分子量較小的片斷，粘度下降，失去凝膠能力，65℃以上解聚作用加快，加熱至80℃持續(xù)lh后，凝膠凍力將減少50%，分子量越小，分解越快。明膠對(duì)酶的作用很敏感。2023/2/547明膠醫(yī)用明膠按制法分為酸法明膠(geatinA)和堿法明膠(geatinB)，其制法分述如下。(1)酸法：酸法明膠，發(fā)源于美國(guó)，近年在歐洲日益受到重視，酸法處理可以降低成本，縮短原料預(yù)處理時(shí)間。

其制法是：將原料(一般是豬皮)先用冷水洗凈，浸漬于pH為1-3的酸液(濃度不超過5%的鹽酸、硫酸或磷酸)，在15-20℃消化至完全脹開(約24-48h)，再用水將脹化的原料洗去過量的酸，在pH3.5-4時(shí)，用熱水提取。在動(dòng)物皮組織中，許多非膠原蛋白和粘蛋白在pH4時(shí)為等電狀態(tài)，在抽取明膠的酸度條件下，這些蛋白溶解度小而且很易凝結(jié)，如用酸處理的豬皮明膠等電點(diǎn)在pH7-9，這是在酸性條件下膠原中的谷氨酸、天冬氨酸的酸胺基團(tuán)耐水解的原因。2023/2/548明膠

(2)堿法把原料(一般用除去礦物質(zhì)的動(dòng)物骨酪或羊皮制造)浸泡在15-20℃記的氫氧化鈣中1-3個(gè)月，許多雜質(zhì)，如蛋白質(zhì)類粘性物質(zhì)，能在這種酸堿度下溶解而被除去。一般認(rèn)為堿法明膠比酸法明膠純些。經(jīng)堿處理洗去殘留氫氧化鈣，最后用酸(鹽酸、硫酸或磷酸)中和，再用熱水提取，以下過程同酸法明膠。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間堿法處理而產(chǎn)生的明膠，含氮量略低(約18%)，由于在浸灰過程中，酚胺基逐漸轉(zhuǎn)化為羧基，使明膠的等電點(diǎn)比酸法明膠的等電點(diǎn)低，可低到pH4.7-5.3。上述兩種處理的明膠熱水提取液，再經(jīng)過濾，蒸發(fā)，濃縮(SO2漂白)，冷卻成膠片，在控溫的條件下烘千，研磨成所需大小的顆粒。國(guó)外的產(chǎn)品可能還含有低于0.15%的SO2，少量的十二烷基硫酸鈉及抑菌劑。市售產(chǎn)品也可能為酸法明膠和堿法明膠的混雜物。2023/2/549二、天然多糖類材料多糖是由許多單糖分子經(jīng)失水縮聚，通過糖苷鍵結(jié)合而成的天然高分子化合物。自然界廣泛存在的多糖主要有：植物多糖，如纖維素、半纖維素、淀粉、果膠等；動(dòng)物多糖，如甲殼素、殼聚糖、肝素、硫酸軟骨素等；瓊脂多糖，如瓊脂、海藻酸、角叉藻聚糖等；菌類多糖，如D-葡聚糖、D-半乳聚糖、甘露聚糖等；微生物多糖，如右旋糖酐、凝乳糖、出芽短梗孢糖等。研究較多的多糖類材料為甲殼素、殼聚糖、海藻酸鹽、纖維素。2023/2/550甲殼素(chitin)又名幾丁質(zhì)，是來源于動(dòng)物的天然多糖。將甲殼動(dòng)物的外殼通過酸堿處理，脫去鈣、鹽和蛋白質(zhì)，即得到甲殼素。在自然界中主要存在于節(jié)肢動(dòng)物（主要是甲殼綱，如蝦、蟹等的殼，含甲殼素高達(dá)58%～85%），軟體動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物、原生動(dòng)物、腔腸動(dòng)物、海藻及真菌等中，另外在動(dòng)物的關(guān)節(jié)、蹄、足的堅(jiān)硬部分，肌肉與骨結(jié)合處，以及低等植物中均發(fā)現(xiàn)有甲殼素的存在。1、甲殼素2023/2/551幾丁質(zhì)來源組成

(以干重計(jì)算)

幾丁質(zhì)

25-30% 30-40 15-40%

蛋白質(zhì)

15% 35% 5-10%

CaCO3 55% 30% Glycans

脂質(zhì)

2-5% 5-10% 5-10%真菌色素2023/2/552甲殼素甲殼素化學(xué)名為聚N-乙酰-D葡萄糖胺，或(1,4)-2-乙酰氨基-2-脫氧-β-D-葡萄聚糖，分子式為(C3H13NO5)n，屬于氨基多糖，是僅有的具有明顯堿性的天然多糖。甲殼素廣泛存在于低等植物及甲殼動(dòng)物的外殼中，其每年生物合成資源最高達(dá)100億噸，是自然界含量?jī)H次于纖維素的第二大天然高分子材料，同時(shí)，也是地球上數(shù)量最大的含氮有機(jī)化合物。2023/2/553甲殼素和殼聚糖甲殼素分子之間存在強(qiáng)烈的氫鍵作用，使得甲殼素形成高度的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，因而甲殼素分子高度難溶。甲殼素不溶于水及絕大多數(shù)有機(jī)溶劑，也不溶于稀酸、稀或濃堿，只溶于濃酸和某些溶劑。甲殼素與濃堿反應(yīng)生成殼聚糖。甲殼素是白色或灰白色、半透明、片狀固體，其不溶性限制了應(yīng)用范圍，所以大多加工成殼聚糖使用。2023/2/554殼聚糖殼聚糖(Chitosan)是甲殼素(Chitin)脫乙酰基后的產(chǎn)物，是甲殼素最基本、最重要的衍生物。殼聚糖分子的活性基團(tuán)為氨基而不是乙?；?，因而化學(xué)性質(zhì)和溶解性較甲殼素有所改善，可溶于稀酸、甲酸、乙酸，但也不溶于水和絕大多數(shù)有機(jī)溶劑。由于氨基和羥基比較活潑，殼聚糖的化學(xué)性質(zhì)較甲殼素活潑，可以發(fā)生多種化學(xué)反應(yīng)，比如烷基化、?；磻?yīng)等等。2023/2/555殼聚糖被科學(xué)家譽(yù)為繼蛋白質(zhì)、糖、脂肪、維生素、礦物質(zhì)以外的第六生命要素。甲殼素有強(qiáng)化免疫、降血糖、降血脂、降血壓、強(qiáng)化肝臟機(jī)能、活化細(xì)胞、調(diào)節(jié)植物神經(jīng)系統(tǒng)及內(nèi)分泌系統(tǒng)等功能，還可作為保健材料，用于健康無害煙、護(hù)膚產(chǎn)品、保健內(nèi)衣等。殼聚糖2023/2/556在保健領(lǐng)域中的應(yīng)用2023/2/557抗菌、殺菌作用抗腫瘤作用促進(jìn)組織修復(fù)及止血作用增強(qiáng)免疫力天然的抗酸劑，具有中和胃酸、抗?jié)冏饔茫€可降低腎病患者血液膽固醇、尿素及肌酸水平。殼聚糖2023/2/558作為生物材料可用于：醫(yī)用敷料：甲殼素具有良好的組織相容性，可滅菌、促進(jìn)傷口愈合、吸收傷口滲出物且不脫水收縮。止血?jiǎng)鹤鳛橹寡獎(jiǎng)┯写龠M(jìn)傷口愈合，并促進(jìn)組織生長(zhǎng)的功能，對(duì)燒傷、燙傷有獨(dú)特的療效。?？晌招钥p合線，用于消化道和整形外科。制備分離膜和高性能纖維：殼聚糖是制作人工腎的滲析膜和人工肝臟的良好材料。藥品的助劑、膠囊劑和緩釋劑：無毒，且易于溶解可用于藥劑的壓片助劑和膠囊劑，基本為中性，可與任何藥物配伍。殼聚糖2023/2/559殼聚糖2023/2/560甲殼素和殼聚糖的制備制備甲殼素的主要原料，是水產(chǎn)加工廠廢棄的蝦殼和蟹殼。它們的成分中無機(jī)鹽（主要是碳酸和磷酸的鈣鹽）約占45%，粗蛋白質(zhì)和脂肪占27%，甲殼素約占20%。甲殼素的制備：將蝦、蟹殼洗凈干燥后，以5%稀鹽酸于室溫浸泡2h，除去原料中的碳酸鈣，然后過濾、水洗至中性，再置于10%的NaOH溶液中煮沸2h脫蛋白質(zhì)，然后再過濾、水洗至中性，干燥即得甲殼素。一般以蝦殼為原料的產(chǎn)率為20%，以蟹殼為原料產(chǎn)率為15%左右。2023/2/561制備甲殼素和殼聚糖的方法：2023/2/562甲殼素和殼聚糖的制備殼聚糖的制備：將甲殼素置于45%~50%NaOH溶液中，在100~110℃水解4h，或置于40%NaOH溶液中于84±1℃的烘箱中保溫17h，然后過濾、水洗至中性，干燥即得殼聚糖。為加快脫乙?；磻?yīng)速度，可進(jìn)行間斷性水洗。2023/2/563制備甲殼素和殼聚糖的方法熱的濃堿溶液與殼聚糖作用，分子上的乙酚基會(huì)慢慢脫掉生成脫乙酰殼聚糖。濃堿濃度為40%-50%氫氧化鈉溶液，使用量為殼聚糖的15倍，反應(yīng)溫度在110℃左右，反應(yīng)時(shí)間1h。反應(yīng)后，過濾，以水洗滌至中性，經(jīng)減壓干燥后可得白色固體。在脫乙?；^程中，由于溶劑化作用，部分糖苷鍵會(huì)發(fā)生水解而導(dǎo)致分子量降低，為了避免大分子被破壞，可加硼氫化鈉(1%)溶液或通氮等。2023/2/564制備甲殼素和殼聚糖的方法脫乙酰殼聚糖吸濕性很強(qiáng)，僅次于甘油，比聚乙二醇、山梨醇高。脫乙酰殼聚糖粉末置密閉器中，在常溫、干燥條件下，至少3年內(nèi)穩(wěn)定，但吸濕或水溶液會(huì)產(chǎn)生分解，并隨溫度的升高而加快，如它的50%溶液放置6個(gè)月后，平均分子量下降30%。粉末暴露于光線下，易分解，最敏感的波長(zhǎng)是200-240nm的紫外線，波長(zhǎng)增長(zhǎng)，分解減少。2023/2/565海藻酸鹽：海藻酸是從褐藻類植物例如海帶中提取出來的多糖類碳水化合物。海藻酸鈉、海藻酸鈣是常見的海藻酸鹽。2、海藻酸鹽2023/2/566海藻酸鹽海藻酸鹽作為一種天然高分子無毒材料，由于其良好的生物相容性和安全性，受到醫(yī)學(xué)和材料學(xué)領(lǐng)域科學(xué)家的廣泛關(guān)注。海藻酸是一種天然多糖，主要來源于海洋植物，即綠藻綱、藍(lán)藻綱、紅藻綱和褐藻綱。目前大多數(shù)所用的原材料是來自褐藻綱。故也曾被稱之為褐藻酸。此外，海藻酸還可以從固氮菌和假單胞菌中提制，這一類產(chǎn)物也被稱之為細(xì)菌海藻酸。各種生物合成的海藻酸結(jié)構(gòu)基本相似。2023/2/567海藻酸鹽海藻酸在結(jié)構(gòu)上是以D-甘露糖醛酸(簡(jiǎn)稱為M)和L-古洛糖醛酸(簡(jiǎn)稱為G)聚合而成的長(zhǎng)鏈高分子化合物，分子式：[C6H7O6H]n

，分子量為106左右。海藻酸不僅可與一價(jià)的鈉離子或鉀離子結(jié)合為海藻酸鈉或海藻酸鉀，還可以與許多二價(jià)和三價(jià)陽離子結(jié)合，例如：海藻酸鈣和海藻酸胺等。但目前廣泛應(yīng)用且市售的海藻酸鹽產(chǎn)品仍以海藻酸鈉，海藻酸鈣和海藻酸銨為主。2023/2/568海藻酸鹽由于海藻酸分子中所含的古羅糖醛酸（G）和甘露糖醛酸（M）的數(shù)量不同，產(chǎn)品中又分為高含量和低含量，即高含量、低含量古羅糖醛酸以及高含量、低含量甘露糖醛酸4種形式。也可根據(jù)其相對(duì)分子質(zhì)量的大小所表現(xiàn)出的黏度變化又分為低黏度、中等黏度和高黏度3種。因此，依據(jù)其海藻酸的組成成分和相對(duì)分子質(zhì)量等所表現(xiàn)出的性能多樣性，必然伴隨出現(xiàn)該物質(zhì)的功能多樣性，即多功能性。2023/2/569海藻酸鹽海藻酸鈉(SodiumAlginate,NaAlg，簡(jiǎn)稱AGS)，是海藻酸衍生物中的一種，所以有時(shí)也稱褐藻酸鈉或海帶膠和海藻膠，其分子式為[C6H7O6Na]n

，相對(duì)分子量在32000~200000之間。外觀為白色或淡黃色粉末，幾乎無臭，有稀釋性，溶于水而形成黏稠膠體，不溶于乙醇和其他有機(jī)溶劑。海藻酸鹽能在pH值較低時(shí)(即酸性介質(zhì)環(huán)境下)與水或多價(jià)離子(如鈣離子等)產(chǎn)生凝膠。用干制備控釋制劑、創(chuàng)傷修復(fù)材料等。2023/2/570海藻酸鹽海藻酸鈣[(C6H7O6)2Ca]n,白色粉末至淺黃色不定粉末狀，無臭，無味，不溶于水。用于食品業(yè)，電焊條、藥皮增塑劑及濕態(tài)粘合劑。海藻酸鈣是從海帶中提取的天然碳水化合物，可作為一種鈣質(zhì)添加劑，用于保健食品業(yè)。以海藻酸鈉與氯化鈣反應(yīng)可制備海藻酸鈣凝膠。2023/2/571海藻酸鈉的制備(1)將原料海藻以水洗凈，除去附著的鹽分和夾雜物，切成細(xì)絲。(2)以低濃度的酸性溶液浸泡，除去鹽類及可溶性蛋白質(zhì)等水溶性成分。(3)加熱至40-50℃，加大碳酸氫鈉，使海藻膨化成粘稠狀，此時(shí)反應(yīng)pH約為12，海藻酸鈣轉(zhuǎn)化為海藻酸鈉，反應(yīng)生成的碳酸鈣析出沉淀。為使反應(yīng)液達(dá)到高pH，也可使用一部分氫氧化鈉。2023/2/572海藻酸鈉的制備(4)分離出的海藻酸鈉加水稀釋、過濾、漂白后，加少量硫酸使凝膠沉淀，將凝膠置離心機(jī)分離，除去可溶性成分后，將其混懸于甲醇中，加入計(jì)算量的氫氧化鈉或碳酸鈉中和，可得海藻酸鈉，用壓榨法除去甲醇，干燥，粉碎即得。2023/2/573海藻酸鈉的制備海藻酸鈉能緩緩溶于水形成粘稠液體，具有高粘性，其低濃度(0.5%)在低切變速度(1-100s-1)下，近似牛頓流體，其水溶液粘度與pH有關(guān)，pH在4以下則凝膠化，pHl0以上則不穩(wěn)定。其具成膜的能力，膜呈透明且堅(jiān)韌。海藻酸鈉與蛋白質(zhì)、明膠、淀粉相容性好，與二價(jià)以上金屬離子形成鹽而凝固。2023/2/574海藻酸鈉的制備海藻酸鈉具有吸濕性，一般含水量為10%-30%(RH為20-40%時(shí))，其平衡含水量與相對(duì)濕度有關(guān)，如置于低相對(duì)濕度和低于25℃以下，其穩(wěn)定性相當(dāng)好。海藻酸鈉的粘度因規(guī)格不同而異，其10%溶液在叨記時(shí)，粘度為20-40mPa·s，可因溫度，濃度，pH和金屬離子的存在而不同。其1%水溶液在不同溫度下保存二年仍具有原粘度的60%-80%。2023/2/575海藻酸鈉的制備海藻酸鈉溶于蒸餾水形成均勻溶液，其粘性和流動(dòng)性受溫度、切變速度、分子量、濃度和蒸餾水混用的溶劑的性質(zhì)所影響。pH、整合劑、一價(jià)鹽、多價(jià)陽離子和季銨化合物等化學(xué)因素也影響其流動(dòng)性質(zhì)。

2023/2/576海藻酸鈉的制備海藻酸鈉的膠凝作用與其分子中古洛糖醛酸的含量和聚合度有關(guān)，古洛糖醛酸(G)含量越高則凝固硬度越大。甘露糖醛酸(M)柔性較大，海藻酸鈉凝膠的溶脹性與其中M單體在內(nèi)部的溶脹有關(guān)。海藻酸鈉與大多數(shù)多價(jià)陽離子反應(yīng)會(huì)形成交聯(lián)，如與鈣離子交聯(lián)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，控制水分子的流動(dòng)性，用此方法可得熱不可逆性的剛性結(jié)構(gòu)，其失水收縮不顯著。將鈣離子加人海藻酸鈉溶液中的方法大大地影響最終形成凝膠的性質(zhì)，如果鈣離子加得太快，結(jié)果形成不均勻凝膠，結(jié)構(gòu)失去連續(xù)性；使用慢速控制溶解的鈣鹽可以得到較均勻的凝膠。

2023/2/577海藻酸鈉的制備下面是在改變凝膠堅(jiān)韌性和凝膠形成時(shí)間方面的一些基本規(guī)則：(1)鈣離子量增加，則形成的凝膠性質(zhì)不良，反之則凝膠形成良好。但鈣鹽等整合劑加得太少，則會(huì)形成粒凝膠。(2)鈣離子用量減少，形成凝膠較柔軟，加入量太多時(shí)，則形成堅(jiān)硬的凝膠，甚至?xí)纬闪Ｄz或便海藻酸鈣沉淀。(3)如果鈣離子加人的量接近二者反應(yīng)完全時(shí)的濃度，則形成的凝膠有脫水收縮(syneresis)的傾向。2023/2/578海藻酸鈉的制備海藻酸鈉貯藏時(shí)易染菌，進(jìn)而影響其溶液的粘度，溶液可用環(huán)氧乙烷滅菌。高壓滅菌法也可使粘度下降。不宜應(yīng)用Y射線照射，因其能顯著影響溶液的粘度。本品外用時(shí)可加0.1%的氯甲酚、0.1%的氯二甲苯酚或?qū)p基苯甲酸酯類作防腐劑。2023/2/5793、透明質(zhì)酸透明質(zhì)酸（Haluronicacid、H