[发明专利]离子液体与尿素复合溶剂低温快速协同溶解再生胶原纤维的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以离子液体与尿素为混合溶剂，能够在40～60℃的较低温度下溶解再生胶原纤维及处理脱脂皮粉、废弃皮革屑的方法。

背景技术

胶原是一种重要的结构蛋白和细胞外基质成分，广泛存在于动物的皮肤、肌腱、软骨及其它结缔组织中。胶原种类繁多，有I型、II型、III型等，其中I型胶原所占比例最大。胶原螺旋是原胶原特有的构象形式。胶原的三股螺旋结构赋予其特殊的生物活性，如低免疫原性、良好的生物相容性、能促进血小板凝结，促进细胞的存活、生长、愈合，因而胶原在组织工程材料(皮肤替代物、人工血管和人工软骨等)等领域具有广泛的应用。作为制备组织工程材料的关键一步，需要先将胶原溶解制备得到均相溶液。胶原多肽链间大量存在的分子链内和链间氢键、离子键、范德华力以及疏水键等，使胶原蛋白很难溶解于水和传统有机溶剂，极大地制约胶原的应用。尽管有少量的溶剂，如稀乙酸溶液、三氟乙醇(TFE)、六氟异丙醇(HFIP)等，可以用来溶解胶原，但是存在易挥发，溶解度低，易导致胶原水解，变性等缺陷。

离子液体(Ionic Liquids，ILs)是一类极具应用前景的绿色溶剂，应用广泛。离子液体离解产生的阴、阳离子可以破坏胶原分子间的氢键，近年来人们尝试利用离子液体来溶解胶原纤维(International Journal of Biological Macromolecules.2015.76：70-79；International Journal of Biological Macromolecules.2012.51(4)：440-448；化工学报，2015，66(6)：2196-2204；中国皮革，2011，40(19)：27-29；CN201110073127.2)。目前的研究工作主要考察高温下(80-140℃)胶原纤维在纯离子液体中的溶解性能，且存在溶解时间长，溶解度低等问题；仅仅考察胶原纤维溶解前、再生后宏观结构的变化。目前有关胶原纤维在离子液体中溶解提取研究存在的主要问题：

第一，前人的研究工作多考察高温下(80-140℃)胶原纤维的溶解性能，温度高会引起胶原纤维变性，甚至断链分解，难以保证胶原螺旋二级结构的完整。因此必须寻找一种可以实现低温条件下的快速、高效溶解胶原纤维的绿色溶剂。

第二，离子液体粘度比较高，限制了溶剂的传热传质，得到胶原纤维溶液粘度过大， 限制了胶原纤维原液的应用。这就需要选择粘度很低的离子液体溶剂体系，或者通过加入助溶剂到离子液体中得到粘度更小的复合离子液体溶剂。

第三，胶原蛋白溶解度过低，通常低于10％。这需要对离子液体溶解胶原纤维的分子机制进行深入探讨。这也是目前研究的难点。离子液体主要通过破坏胶原蛋白大分子间的相互作用来溶解胶原纤维。如果在溶剂体系中复配一个促进胶原蛋白变性的小分子物质，该物质先将胶原蛋白变性，变成无规卷曲状态，这将有助于提高离子液体的阴阳离子对胶原蛋白的作用。在离子液体阳离子结构中引入吸电子基团，也会有助于提高离子液体的溶解性能。

尿素是一种常见的蛋白质可逆变性剂，能有效地破坏非共价键结合的蛋白质的分子内，分子间氢键，离子键，范德华力及疏水键。目前对于尿素引起蛋白质变性的分子机理有两种解释：第一，尿素与蛋白质分子的直接作用，包括极性分子，非极性分子，肽键与尿素分子的相互作用，破坏了蛋白质的分子内，分子间氢键，离子键及范德华力；第二，间接作用，尿素会引起蛋白质与水分子的结合模式变化，破坏蛋白质分子内，分子间氢键，疏水键作用(Thermochimica Acta，2004.409(2)：201-206；J.Am.Chem.Soc.2007，129(51)：16126-16131；Process Biochemistry，2009.44(11)：1200-1212)。

已有研究表明，尿素的加入会降低胶原蛋白的变性温度。当加入3M的尿素溶液时，胶原蛋白的变性温度从67℃降低至53℃。变性的同时，胶原纤维从胶原螺旋转变为无规卷曲状态。尿素能破坏氢键，导致蛋白质分子结构松弛，使蛋白质变性，变性后，蛋白质的肽链就伸展开来，高浓度(8-10mol/L)的尿素会使蛋白质变性溶解；而在室温下4～6mol/L尿素可使球状蛋白质变性，通常增加变性剂浓度可提高变性程度，通常8mol/L尿素可以使蛋白质完全转变为变性状态。尿素引起的变性通常是可逆的，这使得尿素具有在室温下拥有快速溶解胶原纤维的能力。

基于以上讨论，我们提出离子液体/尿素复合溶剂体系协同快速低温溶解胶原纤维的新方法。