CN100486648C - 改善植物源性蛋白三维支架性能的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种生物医学工程领域的改善植物源性蛋白三维支架性能的制备方法。本发明将脂肪酸与植物源性醇溶蛋白按比例混合后，再加入致孔剂，经模压成型，然后加固成型，采用水浴沥滤除去致孔剂后冷冻干燥而制得具有高力学强度和孔隙率的植物源性蛋白三维支架，其中所述的脂肪酸与植物源性醇溶蛋白质量比为0.1∶1-0.6∶1，致孔剂与植物源性醇溶蛋自的质量比为1∶9-7∶3。本发明所使用植物源性醇溶蛋白，以该材料为主要成分，添加合适的脂肪酸在所属条件下加工成型。力学测试表明添加脂肪酸后显著增强了该支架材料的力学性能。添加合适的致孔剂在所属条件下加工成型，测试结果表明该支架材料具有满足组织工程要求的孔隙特性和良好的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种生物医学工程技术领域的方法，具体涉及一种改善植物源性蛋白三维支架性能的制备方法。
背景技术
组织工程支架材料是生物医学领域组织工程研究的重点之一。生物材料是种子细胞形成组织之前赖以生存和依附的三维支架，它能将细胞固定于一定位置，为其生长、繁殖、新陈代谢及细胞外基质分泌等生理活动提供场所，并引导再生组织基本形状。作为组织工程的支架材料应具备如下特点：①良好生物相容性及组织相容性：利于细胞粘附与增殖，无细胞毒性，无免疫原性，不引起炎症反应；②生物可降解性：可完全降解，产物无毒，降解速率与组织形成速率基本一致；③具有可塑性及一定机械强度，能维持特定的大小和形状，可引导组织再生；④一定的孔隙率及适当大小的孔径，细胞能均匀分布在材料表面及内部；⑤无毒、无不良反应，性质稳定，易贮存、易消毒等。
生物材料的力学性能是组织工程，特别是硬组织工程中的重要因素之一。目前，天然生物材料已受到广泛的研究，包括甲壳素、纤维蛋白、胶原蛋白、壳聚糖等。这些材料共同特点就是可降解，生物相容性好，但力学强度不足，从而限制了它们的发展。玉米醇溶蛋白是玉米的主要储藏蛋白，占玉米中蛋白的45％-50％。玉米醇溶蛋白已被研究用于医用粘合剂，生物可降解塑料，口香糖，可食用抗湿食品包装，酸敏感药物释放体系，微球，微囊化杀虫剂，口服药物掩味剂，生物学实验条带和创伤敷料等许多方面。研究表明玉米醇溶蛋白具有良好的生物可降解性和生物相容性，是一种可应用于组织工程的新型天然聚合物。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号为CN1555892A的专利，该专利将植物源性醇溶蛋白与食盐等致孔剂混合，在一定温度和湿度的条件下自然成型，或经模压成型、水煮除去致孔剂后冷冻干燥而制得。尽管上述方法可以获得具有一定力学强度和孔隙特性的支架，但其力学性能较差，压缩模量仅几十MPa，而且材料脆性大，无法得到拉伸性能和弯曲性能。因此，上述方法制备的植物源性蛋白三维支架在组织工程中的应用受到限制，不适用于承力部位，特别是骨组织工程的需要。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种改善植物源性蛋白三维支架性能的制备方法。使其通过加入一种或几种脂肪酸来改善植物源性蛋白作为生物医用三维支架材料的力学性能，加入合适的致孔剂制备具有良好孔隙特性并满足组织工程对力学性能要求的三维多孔支架材料，其压缩强度、拉伸强度和三点弯曲强度及相应模量在正常人体骨的力学强度范围内。
本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明将脂肪酸与植物源性醇溶蛋白按比例混合后，再加入致孔剂，经模压成型，然后加固成型，采用水浴沥滤除去致孔剂后冷冻干燥而制得具有高力学强度和孔隙率的植物源性蛋白三维支架。所述的脂肪酸与植物源性醇溶蛋白的质量比为0.1:1-0.6:1，推荐比例为0.1:1-0.3:1。所述的致孔剂与植物源性醇溶蛋白质量比为1:9-7:3。
所述的加固成型，是指：在35-45℃(推荐使用37-40℃)、95％-100％相对湿度(推荐使用97％-100％)环境下自然成型。成型时间需要14-35天(推荐时间21-28天)。
所述的植物源性醇溶蛋白，是米、小麦、大麦、裸麦、燕麦或玉米的醇溶性蛋白。推荐使用玉米醇溶蛋白。
所述的脂肪酸，包括硬脂酸、棕榈酸等饱和脂肪酸，以及油酸、亚油酸等不饱和脂肪酸。
所述的致孔剂，是甘露醇、山梨醇、葡萄糖、乳糖或麦芽糖。
所述的水浴沥滤除去致孔剂，是指：在支架成型后，将支架放于沥滤温度40-65℃水浴中，使致孔剂溶解于水中而从支架中去除，每隔两小时更换一次水，沥滤时间36-72小时。推荐沥滤温度50-55℃，推荐沥滤时间48-60小时。
本发明添加脂肪酸改善支架的性能，脂肪酸是一种优良的塑化剂，它们可以渗透到植物源性醇溶蛋白大分子分开的链之间，在较高的湿度和温度条件下通过降低醇溶蛋白分子的玻璃态转化温度。一方面，它们减少植物源性蛋白分子链间的摩擦力，从而使得大分子间的运动易于发生，使得醇溶蛋白分子间的相互作用增强；另一方面，在较高的湿度和温度条件下脂肪酸(塑化剂)与植物源性醇溶蛋白分子间发生剧烈的相互作用。因此，在除去致孔剂后形成了具有良好力学性能的多孔支架。
本发明用不同类型的脂肪酸对支架力学性能的影响进行了研究，同时考察了同一脂肪酸在不同比例的条件下对支架材料的力学性能的作用。本发明所用材料的原料来源广泛、价格低廉、工艺要求低，适合作为生物医用材料。
本发明方法添加脂肪酸后制得的支架的力学性能得到明显改善，与对照组(不添加脂肪酸)相比大大增加。所得的植物源性蛋白三维支架最大压缩强度和模量达到151.3MPa和937MPa，最大弯曲强度和模量达到45.1MPa和876MPa；拉伸强度和模量分别为11.4MPa和1240MPa。孔隙率最高达到82.5％。不添加脂肪酸的支架的最大压缩强度和模量为46.6MPa和1021MPa，但材料脆性大，未获得其相应拉伸性能和弯曲性能的结果。
具体实施方式
实施例一
将油酸与植物源性醇溶蛋白按0.1:1的质量比混匀，然后再以致孔剂与植物源性醇溶蛋白的质量比为1:9的比例加入甘露醇、混匀，模压成型，然后将制备好的样品放于相对湿度95％，40℃条件下成型21天。所述的植物源性醇溶蛋白是一种来源于玉米的醇溶性蛋白。在支架成型后，将支架放于55℃水浴中，使致孔剂溶解于水中而从支架中去除，每隔两小时更换一次水，沥滤时间72小时。再经真空冷冻干燥12小时即可制得植物源性蛋白三维支架。制备好的样品采用Zwick材料万能试验机进行力学性能测试和采用气体排出法进行孔隙率测试。植物源性蛋白三维支架的压缩强度和模量分别达到83.3MPa和877MPa；弯曲强度和模量分别达到19.7MPa和529MPa；拉伸强度和模量分别为5.2MPa和468MPa。支架的孔隙率达到28.0％。
实施例二
将硬脂酸与植物源性蛋白按0.1:1的质量比混匀，然后再以致孔剂与植物源性醇溶蛋白的质量比为3:7的比例加入山梨醇、混匀，模压成型，然后将制备好的样品放于相对湿度97％，37℃条件下成型35天。所述的植物源性醇溶蛋白是一种来源于裸麦的醇溶性蛋白。在支架成型后，将支架放于40℃水浴中，使致孔剂溶解于水中而从支架中去除，每隔两小时更换一次水，沥滤时间60小时。再经真空冷冻干燥12小时即可制得植物源性蛋白三维支架。制备好的样品采用Zwick材料万能试验机进行力学性能测试和采用气体排出法进行孔隙率测试。植物源性蛋白三维支架的压缩强度和模量分别达到15.3MPa和339MPa；弯曲强度和模量分别达到6.2MPa和308MPa；拉伸强度和模量分别为1.6MPa和378MPa。支架的孔隙率达到53.5％。
实施例三
将亚油酸与植物源性醇溶蛋白按0.1:1的质量比混匀，然后再以致孔剂与植物源性醇溶蛋白的质量比为7:3的比例加入乳糖、混匀，模压成型。然后将制备好的样品放于相对湿度100％，45℃条件下成型14天。所述的植物源性醇溶蛋白是一种来源于米的醇溶性蛋白。在支架成型后，将支架放于60℃水浴中，使致孔剂溶解于水中而从支架中去除，每隔两小时更换一次水，沥滤时间48小时。再经真空冷冻干燥12小时即可制得植物源性蛋白三维支架。制备好的样品采用Zwick材料万能试验机进行力学性能测试和采用气体排出法进行孔隙率测试。植物源性蛋白三维支架的压缩强度和模量分别达到3.9MPa和27MPa；弯曲强度和模量分别达到1.3MPa和19MPa；拉伸强度和模量分别为0.5MPa和9MPa。支架的孔隙率达到82.5％。
实施例四
将亚油酸与植物源性醇溶蛋白按0.2:1的质量比混合，然后再以致孔剂与植物源性醇溶蛋白的质量比为1:9的比例加入葡萄糖、混匀，模压成型，然后将制备好的样品放于相对湿度100％，39℃条件下成型21天。所述的植物源性醇溶蛋白是一种来源于小麦的醇溶性蛋白。在支架成型后，将支架放于50℃水浴中，使致孔剂溶解于水中而从支架中去除，每隔两小时更换一次水，沥滤时间72小时。再经真空冷冻干燥12小时即可制得植物源性蛋白三维支架。制备好的样品采用Zwick材料万能试验机进行力学性能测试和采用气体排出法进行孔隙率测试。植物源性蛋白三维支架的压缩强度和模量分别达到121.3MPa和937MPa；弯曲强度和模量分别达到35.2MPa和876MPa；拉伸强度和模量分别为7.4MPa和1240MPa。支架的孔隙率达到25.0％。
实施例五
将油酸与植物源性蛋白按0.2:1的质量比混合，然后再以致孔剂与植物源性醇溶蛋白的质量比为3:7的比例加入甘露醇、混匀，模压成型，然后将制备好的样品放于相对湿度95％，37℃条件下成型28天。所述的植物源性醇溶蛋白是一种来源于玉米的醇溶性蛋白。在支架成型后，将支架放于65℃水浴中，使致孔剂溶解于水中而从支架中去除，每隔两小时更换一次水，沥滤时间36小时。再经真空冷冻干燥12小时即可制得植物源性蛋白三维支架。制备好的样品采用Zwick材料万能试验机进行力学性能测试和采用气体排出法进行孔隙率测试。植物源性蛋白三维支架的压缩强度和模量分别达到51.8MPa和587MPa；弯曲强度和模量分别达到18.2MPa和521MPa；拉伸强度和模量分别为4.1MPa和762MPa。支架的孔隙率达到41.5％。
实施例六
将棕榈酸与植物源性醇溶蛋白按0.15:1的质量比混合，然后再以致孔剂与植物源性醇溶蛋白的质量比为7:3的比例加入甘露醇、混匀，模压成型，然后将制备好的样品放于相对湿度100％，40℃条件下成型35天。所述的植物源性醇溶蛋白是一种来源于玉米的醇溶性蛋白。在支架成型后，将支架放于50℃水浴中，使致孔剂溶解于水中而从支架中去除，每隔两小时更换一次水，沥滤时间48小时。再经真空冷冻干燥12小时即可制得植物源性蛋白三维支架。制备好的样品采用Zwick材料万能试验机进行力学性能测试和采用气体排出法进行孔隙率测试。植物源性蛋白三维支架的压缩强度和模量分别达到4.9MPa和19MPa；弯曲强度和模量分别达到1.6MPa和17MPa；拉伸强度和模量分别为0.5MPa和14MPa。支架的孔隙率达到81.5％。
实施例七
将硬脂酸与植物源性醇溶蛋白按0.6:1的质量比混合，然后再以致孔剂与植物源性醇溶蛋白的质量比为1:9的比例加入麦芽糖、混匀，模压成型，然后将制备好的样品放于相对湿度97％，39℃条件下成型21天。所述的植物源性醇溶蛋白是一种来源于玉米的醇溶性蛋白。在支架成型后，将支架放于55℃水浴中，使致孔剂溶解于水中而从支架中去除，每隔两小时更换一次水，沥滤时间72小时。再经真空冷冻干燥12小时即可制得植物源性蛋白三维支架。制备好的样品采用Zwick材料万能试验机进行力学性能测试和采用气体排出法进行孔隙率测试。植物源性蛋白三维支架的压缩强度和模量分别达到12.7MPa和249MPa；弯曲强度和模量分别达到5.1MPa和196MPa；拉伸强度和模量分别为1.4MPa和208MPa。支架的孔隙率达到18.5％。
实施例八
将油酸与植物源性醇溶蛋白按0.6:1的质量比混合，然后再以致孔剂与植物源性醇溶蛋白的质量比为3:7的比例加入山梨醇、混匀，模压成型，然后将制备好的样品放于相对湿度100％，35℃条件下成型28天。所述的植物源性醇溶蛋白是一种来源于玉米的醇溶性蛋白。在支架成型后，将支架放于45℃水浴中，使致孔剂溶解于水中而从支架中去除，每隔两小时更换一次水，沥滤时间72小时。再经真空冷冻干燥12小时即可制得植物源性蛋白三维支架。制备好的样品采用Zwick材料万能试验机进行力学性能测试和采用气体排出法进行孔隙率测试。植物源性蛋白三维支架的压缩强度和模量分别达到15.3MPa和223MPa；弯曲强度和模量分别达到4.5MPa和131MPa；拉伸强度和模量分别为1.7MPa和213MPa。支架的孔隙率达到49.5％。
实施例九
将棕榈酸与植物源性醇溶蛋白按0.6:1的质量比混合，然后再以致孔剂与植物源性醇溶蛋白的质量比为7:3的比例加入甘露醇、混匀，模压成型，然后将制备好的样品放于相对湿度98％，45℃条件下成型21天。所述的植物源性醇溶蛋白是一种来源于玉米的醇溶性蛋白。在支架成型后，将支架放于55℃水浴中，使致孔剂溶解于水中而从支架中去除，每隔两小时更换一次水，沥滤时间48小时。再经真空冷冻干燥12小时即可制得植物源性蛋白三维支架。制备好的样品采用Zwick材料万能试验机进行力学性能测试和采用气体排出法进行孔隙率测试。植物源性蛋白三维支架的压缩强度和模量分别达到8.9MPa和159MPa；弯曲强度和模量分别达到3.6MPa和97MPa；拉伸强度和模量分别为1.5MPa和114MPa。支架的孔隙率达到61.5％。
Claims (5)
1.一种改善植物源性蛋白三维支架性能的制备方法，其特征在于，将脂肪酸与植物源性醇溶蛋白粉末按比例混合后，再加入致孔剂，经模压成型，然后加固成型，所述的加固成型是指：在35-45℃、95％-100％相对湿度环境下自然成型，成型时间14-35天；然后除去致孔剂后冷冻干燥而制得具有高力学强度和孔隙率的植物源性蛋白三维支架，其中：脂肪酸与植物源性醇溶蛋白的质量比为0.1:1-0.6:1，致孔剂与植物源性醇溶蛋白质量比为1:9-7:3。
2.根据权利要求1所述的改善植物源性蛋白三维支架性能的制备方法，其特征是，所述的植物源性醇溶蛋白，是米、小麦、大麦、裸麦、燕麦或玉米的醇溶性蛋白。
3.根据权利要求1所述的改善植物源性蛋白三维支架性能的制备方法，其特征是，所述的脂肪酸，是硬脂酸、棕榈酸、油酸或亚油酸。
4.根据权利要求1所述的改善植物源性蛋白三维支架性能的制备方法，其特征是，所述的致孔剂，是甘露醇、山梨醇、葡萄糖、乳糖或麦芽糖。
5.根据权利要求1所述的改善植物源性蛋白三维支架性能的制备方法，其特征是，所述的除去致孔剂，是指：在支架成型后，将支架放于沥滤温度40-65℃水浴中，使致孔剂溶解于水中而从支架中去除，每隔两小时更换一次水，沥滤时间36-72小时。
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| 玉米醇溶蛋白的应用. 程嘉豪.陕西化工，第01期. 1994 * |
| 玉米醇溶蛋白的特性与应用. 陈涛，刘耘，李理，杨晓泉.粮油加工与食品机械，第06期. 2003 * |
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