电子束辐照对I型牛胶原水凝胶的影响：辐射剂量与含水量对组成及多尺度性能的作用机制

本研究针对胶原水凝胶在医疗和食品工业应用中面临的灭菌与性能调控难题，系统探究了电子束辐照（0.25-25 kGy）对3 wt%牛胶原水凝胶的复合影响。通过多尺度表征发现，辐照剂量与97 wt%高含水量协同诱导胶原发生三重螺旋结构降解与网络交联密度增加的竞争效应，显著提升材料的弹性模量、热稳定性和流变特性（G'/G''），为生物材料性能的精准调控提供了新策略。

　　

胶原作为天然高分子材料的"明星分子"，在医疗敷料、药物载体和食品包装等领域应用广泛。但动物源胶原的灭菌处理始终是行业痛点——传统化学灭菌会残留毒性，而热灭菌易破坏其精密的三维结构。更棘手的是，胶原水凝胶中高达97%的水分在辐照过程中会产生大量自由基，可能引发不可控的分子链断裂。这些矛盾使得材料性能调控如同"走钢丝"，亟需揭示辐照剂量与含水量对胶原结构的精确影响规律。

捷克科学院（Czech Academy of Sciences）的研究团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表的研究，通过0.25-25 kGy梯度剂量辐照3 wt%牛胶原水凝胶，结合FTIR、流变仪和DSC等多维检测手段，首次阐明了低剂量（<1 kGy）辐照下水分介导的双重效应。研究发现10-25 kGy高剂量辐照时，水分子电离产生的•OH自由基虽导致三重螺旋结构减少28%，但同步引发的分子间交联使网络链密度提升3倍。这种"破立并举"的机制使材料弹性模量提高5倍，同时维持了β-折叠等二级结构的稳定性。

关键技术包括：电子束辐照系统精确控制剂量（0.25-25 kGy）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）定量α-螺旋/β-折叠比例、动态机械分析（DMA）测定储能模量（G'）与损耗模量（G''）、差示扫描量热法（DSC）表征热变性温度。实验采用DEVRO公司提供的I型牛胶原，通过控制含水量（3 wt% vs 7 wt%）进行对比研究。

【Collagenous material】
原料采用机械-化学联合处理的牛皮提取胶原，3 wt%水凝胶与前期7 wt%研究形成含水量对照。

【Composition of the collagens】
氨基酸分析显示，辐照引发水 Radiolysis 产生e^-_aq和•OH等活性粒子，导致脯氨酸羟基化并形成碳中心自由基。0.5 kGy剂量即可检测到三重螺旋特征峰减弱，25 kGy时非晶区增加40%。

【Conclusions】
研究证实含水量是辐照效应的关键调节因子：高水分环境（97 wt%）在10-25 kGy促进交联主导的反应，使弹性模量与热稳定性呈剂量依赖性提升；而干燥状态下相同剂量主要引发分子链断裂。该发现为食品包装胶原肠衣的低温灭菌（<3 kGy）和医用支架材料的高剂量交联（25 kGy）提供了精准参数指导。

这项研究的创新性在于揭示了水分子在辐照过程中的"双面刃"作用——既是自由基反应的"催化剂"，又是交联网络的"塑形剂"。通过建立剂量-含水量-性能的三元关系模型，不仅解决了胶原材料灭菌工艺选择的核心难题，更为开发具有定制化力学性能的生物材料开辟了新路径。研究结果对实现医疗器械ISO 11137标准中的剂量优化具有重要参考价值，其中发现的低剂量（0.25-0.5 kGy）水分效应，可能改写食品工业中胶原包装材料的辐照工艺规范。