CN101653714A - 用静电喷射技术制备的丝蛋白纳米微球及其制备方法和制备装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于纳米材料和生物医用材料技术领域，具体为一种用静电喷射技术制备的丝蛋白纳米微球及其制备方法及应用该方法的静电喷射装置。本发明以丝蛋白水溶液作为电喷原液，经高压静电喷射形成丝蛋白微液滴，通过有机溶剂诱使丝蛋白发生快速、完全的水不溶性β－折叠转变，从而制备得到具有良好单分散性和稳定性的丝蛋白纳米微球。通过在丝蛋白电喷原液中添加一定比例的水溶性药物分子和/或磁性无机粒子进行混合电喷，可以实现水溶性药物的包埋、可控缓释与靶向传递等。通过本方法制得的丝蛋白纳米载药微球粒径范围为50－500nm，载药量为0.1－12％，药物包埋率在95％以上。

Description

用静电喷射技术制备的丝蛋白纳米微球及其制备方法和制备装置
技术领域
本发明属于纳米材料和生物医用材料技术领域，具体涉及一种新型的丝蛋白纳米微球及其制备方法。
背景技术
丝蛋白是天然桑蚕丝的主要成分，由于其生物相容性好、易于细胞黏附且可生物降解等优点，在食品、日用化工、特别是生物医药材料等高新领域有着广泛的应用，如组织支架、智能水凝胶、医用敷料等等。近年来随着纳米医药技术的蓬勃发展，采用以丝蛋白为代表的天然大分子来替代聚乳酸(PLA)、聚羟基乙酸(PGA)和聚己内酯(PCL)等传统合成药用载体，以实现药物尤其是水溶性的多肽、DNA及部分抗癌药物的靶向传递和控释缓释，正备受人们的青睐。
丝蛋白由十八种氨基酸组成；并包含有三个平均分子量依次为391kDa、28kDa、25kDa的亚单元。其在水溶液中主要以亚稳态的无规线团和/或螺旋构象形式存在；但在一定的外界条件(如醇处理和剪切作用等)下，可以发生从无规线团和/或螺旋构象向能量更低、更稳定的β-折叠等不溶于水的结构转变，进而形成凝胶固状物。利用丝蛋白易变性这一特点，在本发明之前已有将丝素溶液与过量有机溶剂直接混合制备丝素纳米颗粒的相关报道(张雨青，专利号ZL 200410014228.2)。但在上述报道中，一方面相对于丝蛋白而言，该方法使用的丝素的截留分子量过低(小于50kDa)，使得所制备的纳米颗粒过小(30-60nm)；另一方面由于无法使丝素分子在有机溶剂中得到有效分散，且在混合过程中伴随有强烈的搅拌和剪切，不能实现对蛋白质分子链快速β-折叠化过程的调控，因此该方法并不适合用来制备丝蛋白药物载体。此外，李明忠等人也申请公开了通过添加司班(span)或卵磷脂乳化剂的水/油/水的微乳液技术以实现丝蛋白微球的制备以及水溶性药物的包埋(专利号ZL 200810018509.3)。但除了工艺复杂外，同样由于很难寻找到丝蛋白在混合溶剂中有效分散的方法，致使得所的丝蛋白载药微球平均粒径在6-90μm之间，分布过宽，实际应用受到了很大的局限。
发明内容
本发明目的在于提供一种单分散性好、有利于水溶性药物可控缓释和靶向传递的丝蛋白纳米微球，以及其静电喷射制备方法和装置。
本发明提出的丝蛋白纳米微球的制备方法，是采用静电喷射技术，具体以丝蛋白水溶液作为电喷原液，经高压静电喷射形成微液滴；以接收固化装置收集前述微液滴，接收装置中含有机溶剂。通过有机溶剂诱使蛋白质分子链发生快速、完全的水不溶性β-折叠转变，进而固化得到丝蛋白纳米微球。
上述制备过程中，可在丝蛋白电喷原液中添加一定比例的水溶性药物分子和/或磁性无机粒子进行混合电喷，得到丝蛋白纳米载药微球，可以实现水溶性药物的包埋、可控缓释与靶向传递。
上述方法中，所用的丝蛋白电喷原液，通过桑蚕丝经脱胶、中性盐溶解后透析制得，质量浓度为0.01-10％。优选2～8％，更优选4～6％。具体可根据本发明人前一项发明专利(专利号ZL 03142201.2)制备。
上述方法中，所用的有机溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、丙酮之一种或几种。
上述方法中，所采用的静电喷射技术，具体参数包括：静电喷射电压为0.5-30kV，优选10～25kV。电喷液注射速度为0.1-10mL/h，优选0.5～2mL。喷射针头与接收装置中有机溶剂面之间距离为5-25cm，优选10～20cm。
上述方法采用由高压静电发生器、电喷液存储室、注射泵、喷射针头及接收固化装置等组成的静电喷射装置(附图1)，注射泵与电喷液存储室相连，电喷液存储室与喷射针头连接，喷射针头与高压静电发生器连接；接收固化装置中盛有有机溶剂。具体操作如下：将浓度为0.01-10％的丝蛋白水溶液，通过10mL注射针筒经由特富龙细管连接到截平的9#不锈钢注射针头(即针头外径为0.9mm)处喷出，通过活塞式注射泵控制丝蛋白的注射速度为0.1-10mL/h。注射针头与0.5-30kV的高压静电发生器相连接，当静电场力大于溶液的表面张力时，丝蛋白射流破裂形成大量微液滴，在重力和电场的共同作用下使溶剂迅速挥发，以进一步减小液滴尺寸并提高浓度，最后滴落到距离注射针头5-25cm处的有机溶剂中，使丝蛋白发生快速、完全的水不溶性β-折叠转变，固化得到纳米微球。通过在丝蛋白电喷原液中添加一定比例的水溶性药物分子和/或磁性无机粒子进行混合电喷，可以实现水溶性药物的包埋、可控缓释与靶向传递。
通过上述方法制备的丝蛋白纳米微球，其粒径为50-500nm，单分散性指数为0.05-0.50；对于载药微球，载药量为0.1-12％，药物包埋率在95％以上。根据本发明，可以通过调节丝蛋白的浓度、有机溶剂的种类、喷射电压的大小、注射速度和接收距离等参数来控制粒径的大小。所得纳米微球稳定性和再分散性较好，可在室温下保存数月。
与现有技术相比，本发明工艺简单易行，避免了传统工艺中交联剂、表面活性剂和乳化剂等的使用，具有更高的生物安全性。一方面利用静电喷射技术，当静电作用力大于原液的表面张力时丝蛋白射流发生破裂形成大量微液滴，实现了丝蛋白在有机溶剂相的有效分散，从而制备得到了纳米级的丝蛋白微球。另一方面通过注射针头处的强剪切作用以及溶剂的快速挥发过程，使得丝蛋白发生向β-折叠结构的预转变，再通过有机溶剂诱导其形成完全水不溶性的β-折叠，克服了传统方法中丝蛋白变性过程不可控或不够完全的问题，所制得的纳米微球单分散性较好。此外，通过在丝蛋白电喷原液中添加一定比例的水溶性药物分子和/或磁性无机粒子进行混合电喷，可以实现水溶性药物的可控缓释与靶向传递，因此本发明工艺在药用载体领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是静电喷射装置的简单示意图。
图2是实施例2制备的丝蛋白纳米微球的SEM照片。
图3是实施例4制备的丝蛋白/Fe3O4复合纳米微球的TEM照片。
具体实施方式
以下利用实施例进一步详细说明本发明，但不能认为是限制发明的范围。
实施例1：将浓度为4.37％(质量百分比，下同)的丝蛋白水溶液，通过10mL注射针筒经由特富龙细管连接到截平的9#不锈钢注射针头处喷出，通过注射泵控制丝蛋白的注射速度为0.5mL/h。注射针头与20.0kV的高压电相连接，由于静电场力大于溶液的表面张力，丝蛋白溶液破裂成微液滴，滴落到距离注射针头11.5cm处的异丙醇溶剂中，形成不溶性的纳米微球，计算得产率为0.52g/天。经检测，所得丝蛋白纳米微球平均粒径约为130nm，多分散性指数PDI为0.09。
实施例2：将浓度为2.19％的丝蛋白水溶液，通过10mL注射针筒经由特富龙细管连接到截平的9#不锈钢注射针头处喷出，通过注射泵控制丝蛋白的注射速度为0.3mL/h。注射针头与14.7kV的高压电相连接，由于静电场力大于溶液的表面张力，丝蛋白溶液破裂成微液滴，滴落到距离注射针头14cm处的乙醇溶剂中形成不溶性的纳米微球，计算得产率为0.16g/天。经检测，所得丝蛋白纳米微球平均粒径约为150nm，多分散性指数PDI为0.29。
实施例3：将浓度为6.68％的丝蛋白水溶液，通过10mL注射针筒经由特富龙细管连接到截平的9#不锈钢注射针头处喷出，通过注射泵控制丝蛋白的注射速度为2.0mL/h。注射针头与12.0kV的高压电相连接，由于静电场力大于溶液的表面张力，丝蛋白溶液破裂成微液滴，滴落到距离注射针头16cm处的甲醇溶剂中形成不溶性的纳米微球，计算得产率为3.21g/天。经检测，所得丝蛋白纳米微球平均粒径约为210nm，多分散性指数PDI为0.23。
实施例4：将6mL浓度为7.15％的丝蛋白溶液与1.3mL浓度为4.15％的Fe3O4水溶液混合，静置除泡后，通过10mL注射针筒经由特富龙细管连接到截平的9#不锈钢注射针头处喷出，通过注射泵控制丝蛋白的注射速度为1.0mL/h。注射针头与19.7kV的高压电相连接，由于静电场力大于溶液的表面张力，丝蛋白混合溶液破裂成微液滴，滴落到距离注射针头14cm处的甲醇溶剂中形成不溶性的复合纳米微球，计算得产率为1.41g/天。经检测，所得复合微球平均粒径约为200nm，多分散性指数PDI为0.09；Fe3O4在微球中的含量为11.2％(质量百分比)。
实施例5：将15mL浓度为5.11％的丝蛋白溶液与3mL浓度为1.05％的扑尔敏药物水溶液混合，静置除泡后，通过10mL注射针筒经由特富龙细管连接到截平的9#不锈钢注射针头处喷出，通过注射泵控制丝蛋白的注射速度为1.0mL/h。注射针头与16.2kV的高压电相连接，由于静电场力大于溶液的表面张力，丝蛋白混合溶液破裂成微液滴，滴落到距离注射针头15cm处的乙醇溶剂中形成不溶性的丝蛋白纳米载药微球，计算得产率为1.02g/天。经检测，所得载药微球平均粒径约为290nm，多分散性指数PDI为0.30；载药量为3.6％；包埋率为97.0％。

Claims (4)

1、一种丝蛋白纳米微球的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)以丝蛋白水溶液作为电喷原液，经高压静电喷射形成微液滴；
(2)以接收固化装置来收集步骤(1)形成的微液滴，得到丝蛋白纳米微球；接收固化装置中含有机溶剂；
其中，电喷原液中丝蛋白水溶液的质量浓度为0.01-10％；
高压静电的电压为0.5～30kV，丝蛋白水溶液喷射的速度为0.1～10mL/h，喷射用的针头与接收固化装置中有机溶剂面距离为5～25cm；接收固化装置中的有机溶剂选自甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、丙酮中一种或几种；
所得到的纳米微球粒径为50～500nm，单分散性指数为0.05～0.50。
2、根据权利要求1所述丝蛋白微球的制备方法，其特征是步骤(1)的丝蛋白水溶液中含有水溶性药物分子和/或磁性无机粒子，所得的微球中，按质量计，载药量在0.1-12％之间。
3、一种由权利要求1或2所述制备方法得到的丝蛋白纳米微球。
4、用于制备权利要求3所述丝蛋白纳米微球的静电喷射装置，其特征在于包括高压静电发生器、电喷液存储室、注射泵、喷射针头及接收固化装置，其中，注射泵与电喷液存储室相连，电喷液存储室与喷射针头连接，喷射针头与高压静电发生器连接；接收固化装置中盛有有机溶剂；高压静电发生器产生的静电压为0.5-30kV；注射泵的注射速度为0.1-10mL/h；接收距离为5-25cm。
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