膠原基磁性納米復合材料吸油應用研究

Palanisamy Thanikaivelan, Narayanan T. Narayanan, Bhabendra K. Pradhan著杜衛寧　編譯

膠原基磁性納米復合材料吸油應用研究

Palanisamy Thanikaivelan, Narayanan T. Narayanan, Bhabendra K. Pradhan著
杜衛寧編譯

摘要：通過一種簡便的方法，利用制革工業蛋白廢棄物制備了一種穩定的膠原蛋白-超順磁性氧化鐵納米粒子（SPIONs）的磁性納米復合材料。螺旋狀膠原纖維與球狀SPIONs分子間的相互作用通過量熱技術、顯微技術和光譜技術來表征。該納米復合材料展現出選擇性吸油能力和磁跟蹤能力，可應用于吸油方面。該納米復合生物材料吸油后仍具有環境可持續性，經熱處理后可形成雙功能石墨納米碳材料。這一研究提供了一種簡便易行且可控的方法將生物質廢棄物轉化為多功能納米材料。

關鍵詞院磁性材料；納米材料；可持續性

1　前言

近年來，以天然生物高分子或原生生物質為基質的復合材料得到了廣泛關注。利用可降解的聚合物和納米粒子交聯所得到的納米復合生物材料，在生物醫學和環境保護方面有著巨大的應用潛力。盡管許多納米粒子的生物相容性仍存在一些問題，然而磁性氧化鐵（Fe3O4/γFe2O3）即使極高負載時也具有低細胞毒性。這使得氧化鐵納米粒子在生物醫療診斷、成像方面可作為一種理想的磁性材料。膠原蛋白來源廣泛，是一種具有三股螺旋結構和生物降解能力的纖維狀蛋白。蛋白質加工業會產生大量的膠原蛋白廢棄物，比如屠宰場、肉品加工廠、制革及相關產業。其中，制革工業是膠原蛋白廢棄物的主要來源，在制革過程中1 t生皮會產生高達600 kg的膠原蛋白廢棄物。盡管目前已有很多對這些蛋白廢棄物再利用的研究，但開發新型多功能材料實現其高值轉化至關重要。膠原蛋白在加熱或酶（膠原酶）的作用下其結構易遭到破壞。因此，膠原蛋白需要在保持其自身性能穩定的前提下，方能實現其廣泛應用，如制革工業、組織工程和化妝品方面。在眾多金屬中，鉻鹽與膠原纖維通過分子間作用結合，使其結構改性，能夠使膠原纖維穩定性增強。但僅有少數金屬能夠保持膠原長久的穩定性，提高其熱穩定性。納米粒子與膠原纖維交聯仍是未來研究的熱點。納米Fe3O4磁性粒子在水中分散后得到粒徑（10 nm）均一懸浮液，即鐵磁流體（FF），適用于研究該粒子與膠原纖維間的相互作用。

使用后或廢棄的油以及污水處理廠排放的含油廢水對海洋生態環境中的微植物群危害極大。此外，海洋或水體中的溢油還對全球范圍內的水生生物產生極大的威脅。目前，圍欄技術在控制溢油分散方面最為常見，但吸油材料用于清理殘留油污，或者撇油機不能達及的地方。Adebajo和他的同事們總結了常見的吸油材料及其吸油性能。吸油材料包括三大類，即無機類、有機合成類和天然有機類，它們之間的吸油能力差異懸殊，吸油量為自身質量的0.5～234倍不等。無機類吸油材料包括沸石、二氧化硅、珍珠巖、石墨、蛭石、黏土和硅藻土；有機合成類吸油材料包括丙烯酸酯、丁基橡膠、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯和聚氨酯泡沫，它們中已有許多實際應用于吸油方面，盡管它們很難降解。已有研

究報道的天然有機吸附劑包括麥稈、玉米芯、木質纖維、棉纖維、皮革纖維、含纖維質的木棉纖維、洋麻、乳草絨和泥炭苔。近來，先進材料逐漸向兼具選擇性吸油和多功能的方向發展。但它們大多受限于生產過程繁瑣、尺寸小、分離能力低，并且成本高。

在此，我們利用超順磁性氧化鐵（Fe3O4）納米粒子均一地分散于水中來改性穩定廢棄的膠原纖維（圖1a），用來選擇性分離油水的研究。此外，生物納米復合材料吸油后還可轉化為雙功能碳素材料，可應用于多個領域，該研究提供了一條膠原蛋白廢棄物在環境保護方面可持續發展的途徑。

2　方法

2.1以廢膠原蛋白為基質合成環境可持續性的磁性納米生物復合材料及其應用

廢棄的膠原蛋白取自于金奈當地制革廠的修邊牛皮皮塊，面積在25～300 cm2之間。修邊皮塊經浸水、浸灰、去毛、復灰、去肉和脫灰等工序來去除毛、肉和非膠原蛋白組分。脫灰后的皮塊分別浸泡于35%和70%丙酮溶液中，再浸泡于無水乙醇中，保持足夠時間。其中最后一步重復5次使皮塊脫水完全。最后，將皮塊在真空條件下完全干燥，將干燥的皮塊在網篩孔為2 mm的粉碎機中碾磨，所得到的干皮粉可在塑料袋中保存數月。Fe3O4鐵磁流體的制備按照文獻中介紹的化學共沉淀法制備。將檸檬酸包覆于SPIONs表面（Fe3O4納米粒子的粒徑為10 nm），在超聲條件下制備得到了0.1 g/mL的SPION溶液。將這一穩定的Fe3O4懸浮液與膠原反應。所制備的干皮粉與SPION溶液（0.1 g/mL）按100∶50配比，與水（按皮粉質量的20倍計）混合后，反應2 h，制備得到了磁性納米復合生物材料。具體操作步驟，1 g皮粉與20 mL水充分混勻，再加入0.5 g SPION（5 mL的1 g/mL 的SPION溶液），在磁力攪拌下，室溫反應2 h。通過過濾的方法將所合成的納米復合生物材料分離出來。最后，干燥、保存。利用膠原-SPION磁性納米復合生物材料進行選擇性油水分離和磁跟蹤實驗。新、舊兩種機油用來測定所合成的磁性納米復合生物材料的吸油能力。以其中一種油為例，在室溫下，取25 g油置于裝有50 mL水的燒杯中，再加入1 g的磁性納米復合生物材料進行吸油。每隔特定的時間（0.17、1、2、15、30、45、60 min）測定材料的吸油量，吸油量通過吸油后吸附劑的質量與吸附劑的初始質量差求得。將吸附有新機油的磁性納米復合生物材料置于水平石英反應器中，并以25 mL/min的流量在其中通入高純度的氬氣10 min。之后以10℃/min的速率升溫至1 000℃，反應2 h。反應結束后，在氬氣氣氛下，逐漸降至室溫。其中揮發性物質隨恒定流量的氬氣排出。

2.2材料的表征

含水的膠原-SPION磁性納米復合生物材料和含水的膠原纖維的差示掃描量熱分析采用TA儀器來測量（Q600 TGA/DSC）。升溫速率為2℃/min。納米生物復合材料的微觀結構采用FEI-Quanta 200環境掃描電子顯微鏡測量。測試前要將含水的濕樣品分別在丙酮和乙醇中脫水處理，再噴金60 s。未改性膠原纖維、納米復合生物材料和碳素材料的X射線衍射分析采用X射線粉末衍射儀測量，其條件為Cu Kα （λ=0.15406 nm），管電壓30 kV，管電流40 mA，掃描速度為3°/min。未改性膠原纖維和納米生物復合材料的拉曼譜圖采用Renishaw inVia拉曼顯微鏡分析，測試條件為50倍放大倍數物鏡，激光波長785 nm，掃描范圍800～1 800 cm-1，采集時間120 s，掃描3次。碳素材料的拉曼光譜分析參數為激光波長632.8 nm（氦-氖）、光柵刻線為

1 800線/mm。納米生物復合材料（脫水的樣品）和碳素材料（在乙醇中超聲分散）涂覆在碳網上利用JEOL 2100場發射槍透射電鏡觀測。XPS分析采用PHI Quantera X射線光電子能譜，Al陽極靶，分析室真空度5×10-9Torr。源功率為100 W，透過能為140.00 eV，精細掃描時透過能為26.00 eV。碳素材料的電阻率采用萬用表測量。磁性納米復合生物材料和所制備的碳素材料的室溫磁性采用超導量子干涉儀（SQUID）磁強計測量（量子設計磁性能測試系統）。

圖1　SPION改性前后廢膠原纖維的穩定性。（a）廢膠原纖維與SPION納米粒子的反應生成膠原蛋白-SPION納米生物復合材料的示意圖（膠原蛋白與SPION粒子的質量比為100∶50；圖（a）未按比例繪制）；（b）未改性的膠原蛋白和膠原蛋白-SPION納米生物復合材料的DSC曲線，向下為吸熱方向（內嵌圖代表直徑為10 mm的膠原蛋白-SPION復合顆粒）；（c）未改性的膠原蛋白和膠原蛋白-SPION納米生物復合材料的XRD譜圖。

3　結果

3.1SPION包覆的廢膠原纖維的熱穩定性

用差式掃描熱量儀（圖1b）來表征濕膠原-SPION生物納米復合材料和未改性的膠原纖維的熱穩定性。膠原蛋白在65℃的熱水中會發生不可逆收縮，這就是眾所周知的收縮溫度或濕熱穩定性。膠原蛋白與SPION反應后，其濕熱穩定性提高到86.8℃。這可能是由于包裹在Fe3O4納米粒上的檸檬酸與五邊形原纖維組裝體膠原分子側鏈上的氨基發生反應所致（圖1a）。由于Fe3O4納米粒子只有10 nm，只能與五邊形原纖維組裝體邊緣的膠原蛋白分子反應。也就是說，納米粒子不能

像鉻離子一樣進入五邊形原纖維組裝體的納米孔隙間。其觀察到的濕熱穩定性與報道的以金屬鹽（如鈦、鋯、鋁、鐵、鋅）或多酚或納米二氧化硅鞣制的膠原的濕熱穩定性值不相上下。圖1c表示未改性的膠原和膠原-SPION納米復合材料的X-射線衍射圖?？梢钥闯瞿z原蛋白與SPION結合后，膠原蛋白分子間的橫向聚集度大幅降低（峰1），表明膠原蛋白聚集有序程度下降。這可能是由于膠原分子與SPION交聯后導致膠原蛋白的有序程度降低。這一現象在先前三價鉻離子與膠原蛋白絡合的研究中也有報道。膠原蛋白的大多數特征峰在SPION處理后，相對變化不大。然而，膠原-SPION納米復合材料的非結晶性比（由峰1與對應于非結晶區域的峰2二者的斜率之比求得）似乎相對降低了，這是由于膠原與SPION的相互作用所致。盡管如此，這種比率的下降并沒有引起膠凝現象，也就是膠原蛋白的結構的有序性并沒有完全失去。由未改性的膠原纖維和膠原-SPION納米復合材料的顯微拉曼譜圖可知，交聯后纖維的三股螺旋結構并沒有遭到破壞或改變。由X射線光電子譜圖可證實所合成的膠原-SPION納米復合材料中三價鐵離子的存在。

圖2　膠原蛋白-SPION納米生物復合材料的微觀形貌和磁性。FESEM圖（a）廢膠原纖維（b）廢膠原蛋白-SPION納米復合纖維束。內嵌圖代表放大的選定區域，即膠原纖維帶；（c）廢膠原蛋白-SPION納米復合纖維的TEM圖片，代表SPION已包覆在膠原纖維上。選區電子衍射（SAED）代表SPION的結晶性；（d）廢膠原蛋白-SPION納米復合生物材料的超導磁性測量圖，說明該復合材料具有超順磁性。

3.2膠原-SPION納米復合材料的微觀結構

圖2a是未改性膠原纖維的FESEM圖片。內嵌的所選放大區域代表五邊形原纖維組裝體中膠原蛋白的四分之一區域，右手螺旋約為64±1 nm的帶狀結構。這與未改性的膠原纖維中所觀察到的一致。圖2b代表膠原-SPION納米復合材料的FESEM圖，證實了SPION納米粒子與膠原蛋白發生交聯。可以看出與SPION納米粒子交聯后的膠原蛋白仍具有帶狀結構，然而其右手螺旋下降到約（59±1）nm。這可能是由于五邊形原纖維組裝體與SPION納米粒子結合后，膠原分子的緊密堆積被水分子所取代。右手螺旋周期的降低與先前膠原蛋白基質與鉻配合物二聚體反應的報道一致，且膠原蛋白的穩定性增強。由TEM圖片可見，SPION納米粒子在膠原纖

維表面分布不均勻（圖2c）。在復合材料標記區域的內嵌放大圖代表SPIONs的選區電子衍射圖?？梢钥吹絊PIONs呈納米結晶狀（分散的環），類似于針狀結構。這很有趣，因為膠原蛋白本身是無定形態的分子。復合材料經室溫磁化強度測量得到的超順磁S曲線如圖2d所示。膠原納米復合物的零矯頑力和剩磁說明SPIONs（這里指Fe3O4）僅與廢棄的膠原纖維結合。

3.3膠原-SPION納米復合材料在吸油方面的應用

所得到的膠原納米復合材料經干燥后，可用于吸油，并能夠選擇性分離油水。將磁性納米復合材料置于含有舊機油和水的培養皿中。吸油過程分為三步，見圖3a-c。從原理上講，將這一具有磁性的膠原納米復合材料在磁場作用下能夠更快地吸收更多的油。為驗證這一假設，取一塊磁強度范圍2 000 Oe的磁鐵來誘導納米磁性復合材料吸油，結果顯示在磁場力驅動下，磁性復合材料能夠快速地吸收水表面的機油（見錄像S1）。值得注意的是磁場范圍在油水表面上方。為了評價磁性納米復合材料的吸油能力，本研究選擇新、舊兩種機油作為實驗用油。實驗結果表明所合成的納米磁性復合材料對舊機油的最大吸油量為2 g/g（吸油量與一些商用的聚合物類似），如圖3d所示。吸油過程是一個準瞬時吸附過程。另外，與常規干燥相比，使用臨界點干燥法，納米磁性復合材料的比表面積增加，其吸油能力也相應提高。

圖3　膠原蛋白-SPION納米生物復合材料的吸油圖。（a）培養皿中的油-水混合體系。內嵌圖代表純水體系；（b）膠原蛋白-SPION納米生物復合材料置于油層表面；（c）吸油飽和后的膠原蛋白-SPION納米生物復合材料。內嵌圖代表吸油飽和后的膠原蛋白-SPION納米生物復合材料經擠壓作用解吸；（d）膠原蛋白-SPION納米生物復合材料在不同時間對新、舊兩種機油的保油能力示意圖

4　討論

提高膠原蛋白穩定性的傳統方法主要是使用三價鉻離子或植物衍生物多酚（植物鞣劑）。三價鉻離子與膠原蛋白的羧基基團通過共價鍵牢固地結合，其熱穩定性較高（120℃）；而植鞣劑主要通過物理沉積、氫鍵結合或靜電作用力與膠原蛋白結合，其熱穩定性比較適中（80℃）。在本研究中，通過差式量熱儀測得Fe3O4交聯后的膠原纖維的熱穩定性可達87℃（圖1b）。DSC常用來分析測量膠原的熱穩定性，測試結果與升溫速率密切相關，過高的升溫速率不能精確得到樣品在熱收縮過程中的相變溫度。為了精確分析膠原的熱收縮過

程，在本研究中我們選擇較低的升溫速率（2℃）。所觀察到的膠原-SPION納米生物復合材料的收縮溫度可能是由于包覆在Fe3O4納米粒子表面的檸檬酸與膠原分子的側鏈氨基之間的靜電相互作用，也有納米粒子的物理沉積作用，這在SEM 和TEM的觀察中得到了驗證（圖2a-c）。以上結果表明SPION使膠原蛋白穩定性增強的機理與植物鞣劑與膠原蛋白的作用機理類似。盡管使用納米材料來提高膠原蛋白的穩定性并不陌生，但要得到多功能且穩定性較強的膠原基復合材料是一個富有挑戰性的探索。本研究中，我們利用廢膠原纖維和SPION合成了一種成本低、穩定性強且具有磁性的納米復合材料，可應用于選擇性清理溢油和磁場跟蹤等領域。常規干燥所得到的膠原-SPION納米生物復合材料的吸油量可達自身重量的2倍，這和目前市售的吸油材料的吸附量相差不大，比如Ab Tech公司生產的智能海綿。然而，值得注意的是本研究合成的膠原-SPION納米生物復合材料不僅能夠選擇性吸油，而且在磁場范圍內能快速、定向地吸收水表面的油。由本研究中所述的吸油機理可知，是膠原-SPION納米生物復合材料中的膠原基質起吸油作用。在清理溢油過程中，SPIONs不僅可以起到磁力跟蹤作用，還能提高膠原纖維基質的穩定性。至今還未有利用這一低成本、多功能納米生物復合材料用于吸油的報道。

圖4　吸油后的納米生物復合材料轉化為雙功能納米碳素材料。（a）廢膠原蛋白的再利用示意圖；（b）吸油后的納米生物復合材料經簡單的熱處理轉化為具有導電性和磁性的石墨化碳示意圖；（c）石墨化碳的TEM圖片。內嵌圖代表碳層內部的氧化鐵納米粒子的選區電子衍射譜圖；（d）XRD譜圖，（e）拉曼譜圖，（f）超導量子干涉儀對石墨化碳的測試結果。（f）中的內嵌圖說明在永久磁鐵（500 Oe）作用下，大量的石墨化碳樣品能夠克服重力作用聚集在小玻璃瓶的頂部。

我們利用一種工業廢棄物來處理另一種污染物，而如何處理吸油后的納米生物復合材料是可持續發展的關鍵。盡管吸油材料經機械擠壓解吸后，還能再次用于吸油，但吸附-解吸的次數最多只能達到10 或20次，尋求一種適宜的處理方法非常必要。因此，我們將吸油后的納米生物復合材料（圖4a）在無氧條件下（圖4b）利用熱處理法（1 000℃處理2 h）轉化為可再利用的納米碳素材料。由吸油后的納米生物復合物熱處理得到的碳素材料的TEM圖片可知，氧化鐵粒徑≥30 nm，且緊密堆積在碳基質的層隙間（圖4c）。由內嵌的選區電子衍射圖可知氧化鐵納米粒子并未定向堆積。由XRD圖譜中的（002）和（101）衍射峰可知所得到的碳素材料發生石墨化，結晶度高（圖4d）。另外，通過圖譜還可以看到氧化鐵納米粒子的衍射峰與石墨化碳素材料的衍射峰重疊。除石墨衍射峰以外的所有衍射峰與Fe3O4的衍射峰完全一致。由吸油納米生物復合材料熱處理得到的碳素材料的拉曼光譜可知，其吸收峰與sp2雜化的二維六邊形碳原子的D、G和2D的吸收峰相對應（圖4e）。在2700 cm-1處（2D峰）的寬波段表明所得到的碳素材料的石墨層發生脫落。碳素材料的IG/ID的比率為1.18，說明其結構存在缺陷，這主要是由于多重石墨層和非碳原子的存在引起的。在320 cm-1和700 cm-1處的寬頻峰分別代表赤鐵礦和磁鐵礦相的氧化鐵組分。然而，在XRD譜圖還可明顯看到，所得到的碳素材料中的氧化鐵主要以磁鐵礦相為主。在XPS結果中發現氮和氧官能團的存在，說明吸油后的納米復合材料在熱處理過程中發生自摻雜效應。但是，XPS只是一種表面分析方法，而Fe3O4微晶體嵌入在碳基質中，所以XPS結果中顯示只有微量鐵離子存在。通過所得到的碳素材料的XPS圖譜計算其各原子濃度，C、O、N、Fe的濃度分別為85.3%、13.5%、1.1%、0.1%。值得注意的是，由超導量子干涉儀（SQUID）測定膠原-SPION納米生物復合材料和碳素材料得到的結果有很大差異。由圖4f的內嵌圖可知，在矯頑磁力為190 Oe時，M(H)發生開環反應，達到亞磁化材料的飽和磁化強度。由此可見，吸油后的納米生物復合材料在熱處理過程中晶體結構和Fe3O4的粒徑均不斷增加。同時，這和TEM所得到的結果（圖4c）一致。此外，在選區電子衍射圖中碳素材料的結晶分散位置較納米生物復合材料中的SPIONs在結晶區的位置發生偏移。這也進一步驗證了在熱處理過程中碳基質中的Fe3O4納米晶體結構增加，由超順磁性轉變為亞磁性納米粒子。這一合成的具有導電性（所合成的碳素材料的電阻為1 kΩ）和磁性的石墨碳能夠應用于多個領域，包括清理溢油、儲能和生物醫藥等領域。先前有利用膨脹石墨作為吸附劑用于吸油應用的報道。也有利用Fe2O3@C核殼結構納米粒子在磁場作用下用于吸油的報道。由此可見，我們所制備的磁性石墨碳（Fe3O4納米晶體嵌入到石墨基質中）是可行的。因此，這一雙功能的石墨碳不僅可用于除油還可以判斷在磁力跟蹤過程中有無脫落（圖4a）。

總之，我們利用超順磁性的Fe2O3納米粒子懸浮分散液改性廢棄膠原纖維，證實其穩定性增強了。我們研究證實了這一穩定的納米生物復合材料的吸油性能和磁跟蹤能力，它還可滿足其他工業的需要。此外，我們還將吸油后的納米生物復合材料轉化為石墨碳磁性材料，在多個領域有潛在應用。

（譯自Scientific Reports, Jan. 20, 2011，pp.1-7）