CN101143941A - 纤维素/大豆蛋白质复合海绵及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以纤维素、大豆蛋白质为主要原料的复合海绵及其制备方法。它是将纤维素和大豆蛋白质溶解在氢氧化钠/尿素水溶液中，然后经冷冻、真空干燥法制备复合海绵。通过改变纤维素与大豆蛋白质的比例，通过戊二醛、环氧氯丙烷交联改性，可获得具有不同微观结构和性能的复合材料。动物体内植入实验和体外细胞培养实验表明，这类复合材料具有良好的生物相容性。该方法简单适用，原材料来源广泛，可望制备出具有应用前景的来自天然高分子的可降解生物医用材料。

Description

纤维素/大豆蛋白质复合海绵及其制备方法

技术领域

本发明涉及一类纤维素/大豆蛋白质复合海绵、制备方法及其用途，属于生物医学材料领域，也属于高分子领域。

背景技术

随着生命科学和医学的发展，临床上对生物医学材料的要求越来越多，也越来越高，研究和开发可降解吸收的生物医学材料具有重要意义。目前研究较多的可降解高分子材料主要是合成高分子，如：聚己内酯，聚羟基乙酸等。而壳聚糖、纤维素、蛋白质等天然高分子及其衍生物在生物医学上的应用也越来越引人注目。其中，纤维素是自然界最丰富的可再生资源，并在生物医学领域具有很好的潜在用途。纤维素及其衍生物是一种优秀的组织工程材料(Svensson A，Nicklasson E，Harrah T，Panilaitis B，Kaplan DL，Brittberg M，Gatenholm P.Biomaterials 2005，26(4)，419.)及细胞支架材料(Martson M，Viljanto J，Hurme T，Saukko P.EurSurgRes 1998，30(6)，426.)。有报道证明由纤维素铜氨溶液制备的再生纤维素微载体以及国外商业Cytopore纤维素多孔膜都适合于细胞的培养和生长(胡显文，肖成祖，黄子才，张正光.生物工程学报1999，15(1)，93.)，但因为纤维素不能加热熔融和不能溶解于一般溶剂，工业上采用毒性较高的二硫化碳为溶剂，大大限制了它在生物医学材料领域的应用。氢氧化钠/尿素及氢氧化钠/硫脲水溶液体系的发现为纤维素提供了良好的无毒性、低成本溶剂(张俐娜，阮东，高山俊，中国专利ZL 0012448.5，2003.)，也为纤维素在生物医学领域的应用创造了更好的条件。

大豆蛋白质是一种来源最丰富的植物蛋白，除了作为大众营养食品外，在生物医学上还具有显著的生理活性和保健功能：如降低血液中的血脂和胆固醇，降低心脑血管的发病率，减少乳腺癌、前列腺癌、肠癌等疾病的发病率等(Hakkak R，Korouriana S，Ronisa MJJ，Johnstona JM，Badgera TM.CancerLetters 2001，166，27.)。大豆蛋白质作为制备生物医用材料的原料也有一些探索性工作。Vaz等(Vaz C.M.，DE GraafLA.，Reis R.L.，CunhaA.M.JMaterSciMater Med2003，14，789.)研究了大豆蛋白质经交联、热处理或紫外辐射改性处理后，材料的力学性能、耐水性能都能满足生物医用材料的要求，并具有良好的生物相容性。他们认为大豆蛋白质在生物医用材料领域具有较大的应用潜能，并且已经由大豆蛋白质或改性的大豆蛋白质与热稳定性较好的药物混合后经螺杆机挤出、造粒，然后注射或热压成型，制备出具有缓释作用的复合物，可用于药物控制释放系统(Vaz C.M.，Mano J.F.，Fossen M.，Van Tul R.F.，De Graaf L.A.，Reis R.L.，Cunha A.M.JMacromol Sci-Phys 2002，41B，33.)，(Silva GA.，VazC.M.，Coutinho O.P.，Cunha A.M.，Reis R.L.J Mater Sci：Mater Med 2003，14，1055.)，(VazC.M.，Van Doeveren P. F.N.M.，Reis R.L.，Cunha A.M.Polymer 2003，44，5983.)，(Vaz CM，Fossen M，Van TRF，De Graaf LA，Reis RL，Cunha AM.JBiomed Mater Res-PartA2003，65，60.)。

目前纤维素和大豆蛋白质在生物医学材料学领域内的应用还没有充分发挥出来，而制备其复合材料的研究更少。我们曾制备出纤维素/大豆蛋白质复合膜，其孔径在100nm-2.5μm之间(Chen Y.，Zhang LJ.Appl.Polym.Sci.，2004，94(2)，748.)，经处理后适合于Vero细胞的生长(Chen Y.，Zhang L，Gu J.，Liu J.J.Menmbr.Sci.，2004，241(2)，393.)。而以纤维素、大豆蛋白质为主要原料制备复合海绵的工作未见报道，预期在纤维素/大豆蛋白质复合海绵中，原料均为无毒性的天然高分子，能生物降解，纤维素因其良好的力学性能而起到支架作用，蛋白质具有成孔性和生物活性及携载细胞生长因子的作用，且两者都具有良好的亲水性和生物相容性。这类海绵表面及内部均具有较大的孔径和孔隙率，其表面性能和力学性能可控并能达到组织工程的要求，因而有望成为细胞和组织培养的载体。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有生物相容性的复合海绵材料以及该材料的制备方法，该复合海绵是以纤维素、大豆蛋白质为主要原料，溶解在其共溶剂氢氧化钠/尿素水溶液中，经冷冻干燥法制备而得到复合海绵，其生产工艺简单、成本低廉。

为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种具有生物相容性的复合海绵，它是将大豆蛋白质和纤维素先分别溶解在7～8wt％氢氧化钠和11～12wt％尿素水溶液中，然后按比例共混得到共混溶液，大豆蛋白质和纤维素的质量比为5∶95～50∶50，向上述共混溶液中加入大豆蛋白质和纤维素总质量0～10％的戊二醛或环氧氯丙烷进行交联反应，经离心脱气后置于-20℃冰箱中，24h后转入-80℃冰箱，放置24h后经冷冻干燥，用稀醋酸中和至pH值呈中性(pH～7)、清水漂洗即得复合海绵。

一种制备复合海绵的方法：

将大豆蛋白质和纤维素分别溶解在7～8wt％氢氧化钠和11～12wt％尿素水溶液中，然后按比例共混，大豆蛋白质和纤维素的质量比为5∶95～50∶50，搅拌得到均匀的共混溶液，向上述共混溶液中加入戊二醛或环氧氯丙烷进行交联反应，交联剂用量为大豆蛋白质和纤维素总质量的0～10％；反应产物经离心脱气后置于-20℃下放置24小时，再转至-80℃下放置24小时冷冻干燥，然后用稀醋酸中和至pH值呈中性(pH～7)、清水漂洗即得复合海绵。

根据本发明的技术方案，在制备大豆蛋白质和纤维素溶液时，先将7～8wt％氢氧化钠和11～12wt％尿素水溶液预冷至-13℃～-10℃，将预冷后的混合水溶液取出放在室温环境(20℃以下)中，投入大豆蛋白质和纤维素，充分搅拌即制得大豆蛋白质溶液和纤维素溶液。

本发明所获得的纤维素/大豆蛋白质复合海绵中，大豆蛋白质的固含量质量百分比为5％～50％。复合海绵为多孔结构，并能逐渐降解。

本发明可以通过控制纤维素与大豆蛋白质的比例，在混合溶液中对纤维素和大豆蛋白质进行化学交联改性，从而控制复合材料的结构与性能。还可以改变成型过程中的温度，以及在混合溶液中添加不同的成孔剂等，改变复合材料的孔结构及其性能。本发明生产工艺简单、成本低廉，

将所获得的复合海绵经常规高压灭菌后植入SPF级的SD大鼠皮下和肌肉内，缝合手术伤口后饲养，于1月、3月、5月和8月分别手术取出样品，经光镜、扫描电镜等观察动物体内植入实验和体外细胞培养，初步评价该材料具有良好的生物相容性，可望用于制备来自天然高分子的可降解生物医用材料，在生物医学领域内以及临床上具有潜在的应用前景。

制备过程中，氢氧化钠/尿素水溶液用氢氧化钠/硫脲水溶液代替，也可以获得类似结果。

本发明的技术进步在于：(1)充分利用来源丰富、价格便宜的纤维素和大豆蛋白质为主要原料，且原料及复合物均具有生物相容性；(2)通过改变原料配比、添加交联剂及制备工艺等获得具有不同组成、结构和性能的复合海绵；(3)利用氢氧化钠、尿素、水等作致孔剂，在冷冻干燥过程中获得大孔径复合海绵；(4)复合材料在细胞支架及组织工程材料领域具有潜在用途。

附图说明

图1为实施例1和例2中所获得的海绵扫描电镜照片，即分别纯纤维素海绵质和大豆蛋白为10wt％的复合海绵的扫描电镜照片

图2为实施例2所得的纤维素/大豆蛋白质复合海绵(大豆蛋白质固含量为10wt％)在大鼠体内分别植入1、3和5月后的光镜图片

图3为实施例2所得的纤维素/大豆蛋白质复合海绵(大豆蛋白质固含量为10wt％)在大鼠体内分别植入1、3、5和8月后的扫描电镜图片

图4为实施例4所得的纤维素/大豆蛋白质复合海绵(大豆蛋白质固含量为30wt％)表面培养L929型成纤维细胞后的扫描电镜图片

图5为实施例4所得的纤维素/大豆蛋白质复合海绵(大豆蛋白质固含量为30wt％)表面培养牙周组织细胞后的扫描电镜图片

图6为所得的纤维素/大豆蛋白质交联复合海绵的扫描电镜照片，从左到右大豆蛋白质固含量分别为0％，10％和40％，戊二醛量为大豆蛋白质与纤维素总量的0.5％，交联时间为1h。

具体实施方式

以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步说明：

实施例1(对照例)

将7wt％氢氧化钠/12wt％尿素水溶液(96.4g)预冷至—12℃后取出放在室温环境(20℃以下)中，将干燥的3.6g棉短绒纤维素迅速投入其中，充分搅拌制得3.6wt％纤维素溶液。经离心脱气后静置于-20℃冰箱中，24h后转入-80℃冰箱中，放置24h，经冷冻干燥、稀醋酸处理、清水漂洗得到纯纤维素海绵。

实施例2

在100g例1中的3.6wt％纤维素溶液中一边搅拌一边加入4g浓度为10wt％大豆蛋白质溶液，加毕后继续搅拌20min得混合溶液。纤维素/大豆蛋白质混合液经离心脱气后按例1方法制备纤维素/大豆蛋白质复合海绵。该复合海绵中大豆蛋白质含量为10wt％。

图1为实施例1和例2中所获得的海绵扫描电镜照片，即分别纯纤维素海绵质和大豆蛋白为10wt％的复合海绵的扫描电镜照片。海绵为多孔结构，孔形不很规则，大小不等。

实施例3

将实施例1和2中所获得的复合海绵经常规高压灭菌后植入SPF级的SD大鼠皮下和肌肉内，缝合手术伤口后饲养，于1月、3月、5月和8月分别手术取出样品，经光镜、扫描电镜等观察，初步评价材料的生物相容性。

图2为本实施例所得的纤维素/大豆蛋白质复合海绵(大豆蛋白质固含量为10wt％)在大鼠体内分别植入1、3和5月后的光镜图片。1月后明显可见海绵材料，其中有少量细胞和组织进入海绵材料的内部。3月后部分复合海绵仍然存在，但进入材料的细胞与组织量明显增多。5月后复合海绵已基本消失，组织已占据原有复合材料的位置而呈连续态，并伴有新生的毛细血管形成，表明材料具有较好的组织相容性，并在动物体内被逐渐降解。

图3为本实施例所得的纤维素/大豆蛋白质复合海绵(大豆蛋白质固含量为10wt％)在大鼠体内分别植入1、3、5和8月后的扫描电镜图片。1月后海绵材料的多孔结构还明显可见，其中有少量组织进入海绵材料的孔内。3月后海绵材料的多孔结构部分存在，但有的地方组织已呈连续态，细胞分泌旺盛。5月后复合海绵已基本消失，组织已占据原有复合材料的位置而形成了连续的形态。8月后组织已较致密。与光镜结果相吻合，表明材料具有较好的组织相容性，并在动物体内被逐渐降解。

实施例4

改变例2中的大豆蛋白质溶液的加入量，控制复合体系中纤维素与大豆蛋白质的固含量的质量比分别为8/2，7/3，6/4和5/5，其它操作不变，可制备出大豆蛋白质含量分别为20wt％，30wt％，40wt％和50wt％的复合海绵。

实施例5

将实施例1、2和4中所获得的复合海绵经常规高压灭菌后用于细胞培养(L929型成纤维细胞珠及牙周韧带细胞珠)，经扫描电镜观察细胞形态。

图4为本实施例所得的纤维素/大豆蛋白质复合海绵(大豆蛋白质固含量为30wt％)表面培养L929型成纤维细胞后的扫描电镜图片。细胞可在复合海绵表面和孔内生长，且生长旺盛和正常，表明材料具有较好的细胞相容性。

图5为本实施例所得的纤维素/大豆蛋白质复合海绵(大豆蛋白质固含量为30wt％)表面培养牙周组织细胞后的扫描电镜图片。细胞可在复合海绵表面和孔内生长，且生长旺盛和正常，表明材料具有较好的细胞相容性。

实施例6

在例2和例3的混合液中加入戊二醛水溶液，戊二醛的质量为纤维素和大豆蛋白质质量之和的0.5％，搅拌反应1h后离心脱气，其它程序同例2一样，可获得戊二醛交联改性的复合海绵。

图6为本实施例所得的纤维素/大豆蛋白质交联复合海绵的扫描电镜照片，从左到右大豆蛋白质固含量分别为0％，10％和40％，戊二醛量为大豆蛋白质与纤维素总量的0.5％，交联时间为1h。图片显示该海绵为多孔结构，大孔几乎呈蜂窝状分布，比未交联前的孔更规则，表明成型性能好，大孔的孔径也较接近，而大孔的孔壁上分布着较小的小孔。

实施例7

在例2和例3的混合液中加入环氧氯丙烷，环氧氯丙烷的质量为纤维素和大豆蛋白质质量之和的5％，搅拌反应1h后离心脱气，其它程序同例2一样，可获得环氧氯丙烷交联改性的复合海绵。

Claims (2)

1.一种具有生物相容性的复合海绵，其特征在于：它是将大豆蛋白质和纤维素分别溶解在7～8wt％氢氧化钠和11～12wt％尿素水溶液中，然后按比例共混，大豆蛋白质和纤维素的质量比为5∶95～50∶50，搅拌得到均匀的共混溶液，向上述共混溶液中加入大豆蛋白质和纤维素总质量0～10％的戊二醛或环氧氯丙烷进行交联反应，经离心脱气后于-20℃下放置24小时，再转至-80℃下放置24小时冷冻干燥，然后用稀醋酸中和至pH值呈中性，清水漂洗即得复合海绵。

2.一种制备权利要求1所述复合海绵的方法，其特征在于：将大豆蛋白质和纤维素分别溶解在7～8wt％氢氧化钠和11～12wt％尿素水溶液中，然后按比例共混，大豆蛋白质和纤维素的质量比为5∶95～50∶50，搅拌得到均匀的共混溶液，向上述共混溶液中加入戊二醛或环氧氯丙烷进行交联反应，交联剂用量为大豆蛋白质和纤维素总质量的0～10％；反应产物经离心脱气后置于-20℃下放置24小时，再转至-80℃下放置24小时冷冻干燥，然后用稀醋酸中和至pH值呈中性、清水漂洗即得复合海绵。