CN101972481B

CN101972481B - 一种丝素蛋白微载体及其制备方法

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Publication number: CN101972481B
Application number: CN2010105401823A
Authority: CN
Inventors: 王璐; 李明忠; 吕强; 卢神州
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2030-11-11
Also published as: CN101972481A

Abstract

本发明公开了一种高分子微载体及其制备方法，属于生物医学技术领域。本发明采用同轴高压静电技术和冷冻干燥法，将丝素溶液与药物溶液在高压电场的作用下分化成具有芯-壳结构的微米级液滴，经液氮凝固后，再经冷冻干燥制得难溶于水的微载体。该微载体为芯-壳结构的微球状，微球直径为100～500μm；其壳层成分为丝素蛋白，所述丝素蛋白分子，其中无规卷曲构象为80%～90%；壳层呈多孔结构，孔径为5～20μm；其芯核成分为水溶性药物。这种丝素微载体在细胞培养、药物缓释等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种丝素蛋白微载体及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高分子微载体及其制备方法，特别涉及一种采用蚕丝丝素为主要原料，并载有水溶性药物的丝素蛋白微载体及其制备方法，属生物医学材料技术领域。

背景技术

高分子微球具有其它材料所不具备的特殊功能，是当前的研究热点之一。微球用途广泛，可用于药物载体、酶和细胞的固定化、生物活性物质的分离纯化和细胞培养载体等方面，其中将微球作为细胞生长、增殖载体（微载体）的研究逐渐受到人们的关注。微载体是指直径在60～250 μm，用于贴壁依赖型细胞生长的微珠，其巨大的比表面积可增大细胞培养面积，实现大规模的细胞培养。此外，利用微载体进行细胞培养，可用简单的显微镜观察细胞在微球表面的生长情况，并简化了细胞生长各种环境因素的检测和检控，同时可高效利用培养基，并兼有单层培养和悬浮培养的优势，是一种先进的细胞培养技术。

早期微载体多采用合成聚合物制成，如聚羟乙基丙烯酸甲酯、葡聚糖、聚苯乙烯等。合成聚合物制备的微载体重复性和力学性能较好，但缺乏细胞识别位点，影响细胞在其表面的黏附、生长。因此，生物相容性好、价格低廉的天然高聚物逐渐成为微载体原料的首选。目前，常用的有胶原、明胶、纤维素、甲壳质及其衍生物以及海藻酸盐等。蚕丝丝素蛋白作为一种天然高聚物，具有优良的生物学性能及一定的生物可降解性，是较理想的制备微载体的原料。

生长因子是一种可刺激细胞生长和增殖的细胞外多肽信号分子。将生长因子装载到生物材料上可明显促进细胞的生长和增殖，是生物医学领域的研究热点之一。然而生长因子半衰期短，极易失活，因此如何在制备微球过程中保持药物活性仍然有待于进一步探讨。载有生长因子的芯-壳结构丝素微载体具有其他材料所没有的优点，是一种具有发展潜力的新型细胞微载体。

在本发明作出之前，中国发明专利（CN 1556202A）公开了一种动物细胞培养用微载体及其制备方法，该发明利用脱脂棉铜氨溶液制备微球，以硫酸为致孔剂，用2-二乙氨基氯乙烷盐酸盐修饰微球表面。这种多孔微载体具有非常大的比表面积，为细胞提供了生长空间。在中国发明专利（CN 1641017A）“一种用于大规模培养细胞的微载体” 中，采用明胶和壳聚糖溶液为原料制备实心与多孔微载体。该微载体可以支持细胞生长并能长期维持细胞功能。在“Gas foamed open porous biodegradable polymeric microspheres”[Biomaterials, 2006, 27(2): 152-159]文献中，报道了以碳酸氢铵为致孔剂，采用双乳化法制备了PLGA微载体，且NIH3T3细胞在其上黏附、分化效果良好。文献“Employing human keratinocytes cultured on macroporous gelatin spheres to treat full thickness-wounds: an in vivo study on athymic rats”[Burns, 2007, 33(6): 726-735]中公开了一种制备直径为133～321 μm明胶微载体的技术方案，其角化细胞能在载体表面及孔内部较好的黏附与分化。大量研究表明，高分子微球在细胞培养领域具有广阔的发展前景，各种新材料制备的微球层出不穷。

蚕丝蛋白是由蚕绢丝腺内壁上的内皮细胞分泌的高纯度蛋白质，由乙氨酸、丙氨酸、丝氨酸等二十多种氨基酸组成，具有良好的生物相容性和优良的理化性能且可被生物降解。在非纺织领域，家蚕丝素纤维已长期用作外科手术缝合线。近年来，将丝素蛋白应用于人工皮肤、人工血管、人工骨、药物缓释载体以及酶固定材料的大量研究结果表明，丝素蛋白材料无毒性、无刺激作用，对细胞的黏附、生长、增殖以及分化的支持作用良好，其优良的理化性质以及独特的生物相容性，是一种应用前景广阔的生物材料。然而，将蚕丝丝素蛋白制备成为细胞微载体的技术至今未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种载药率高，比表面积大，生物相容性好，适合于细胞培养的丝素蛋白微载体及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种丝素蛋白微载体，它为芯-壳结构的微球状，微球直径为100～500 μm；其壳层呈多孔结构，孔径为5～20 μm，壳层的成分为丝素蛋白，所述丝素蛋白的分子结构中，无归卷曲构象为80%～90%，其余为 SilkⅠ和SilkⅡ构象；其芯核的成分为水溶性药物。

本发明还提供上述丝素蛋白微载体的制备方法：将蚕丝脱胶、溶解、透析处理后得到浓度为1%～10%/wt的丝素蛋白溶液，其特征在于再进行如下步骤的加工：

1、将吗啉-乙磺酸、N-羟基丁二酰亚胺和1-乙基-3（3-二甲基氨丙基）碳化二亚胺溶解于丝素蛋白溶液中，得到壳层溶液；按质量比，丝素蛋白：吗啉-乙磺酸：N-羟基丁二酰亚胺：1-乙基-3（3-二甲基氨丙基）碳化二亚胺为1：0.05～0.25：0.05～0.2：0.1～0.35。

或者采用将京尼平溶解于丝素蛋白溶液中，按质量比，丝素蛋白：京尼平为1：0.1～0.40，得到壳层溶液。

2、将水溶性药物溶解后得到浓度为100ng/ml～1000ng/ml的水溶性药物芯层溶液。

3、采用高压静电方法，将丝素壳层溶液和水溶性药物芯层溶液经两个喷头喷出微米级的液滴，以液氮为凝固浴，得到具有芯-壳结构的固化液滴；所述的两个喷头为同轴套装在一起，其中外层的一个为壳层溶液喷头，内层的一个为芯层溶液喷头。

4、采用冷冻干燥法将固化的液滴干燥，得到一种芯-壳结构微球状的丝素蛋白微载体。

本发明技术方案中所述的丝素蛋白为天然家蚕、柞蚕或天蚕丝素蛋白；所述的水溶性药物为酸性成纤维细胞生长因子、碱性成纤维细胞生长因子、血管内皮生长因子、转化生长因子-β、转化生长因子-α、神经生长因子、胰岛素样生长因子、血小板衍生因子等细胞生长因子中的一种或它们的任意组合。

本发明技术方案中采用的高压静电工艺条件为：电源电压3～15 kV；芯核溶液的推注速度为0.1～1 ml/h，壳层溶液的推注速度为0.1～5ml/h。

本发明技术方案中，壳层溶液喷头的喷针内径为1～2mm；芯层溶液喷头的喷针外径为0.45～1.6mm，内径为0.1～1.2mm。

本发明的原理是：将直流高压电源施加于聚合物溶液或熔体与收集装置之间，使聚合物溶液或熔体带上几千伏至上万伏高压静电，带电液滴在电场力的作用下在注射器或毛细管顶点被加速，当电场力足够大时，聚合物液滴可克服表面张力形成喷射细流。当聚合物溶液浓度较低，粘度较小时，其在一定范围内的高压电场作用下会分化成连续的小液滴，喷入凝固浴中即可得到粒径均匀的微球。

本发明采用的装置具有两个注射器，内层针头套在外层针头内并保持同轴，两个针头之间留有一定的空隙，保证外层丝素溶液能够顺利流出与芯成分的生长因子溶液汇合。在高压电场的作用下，两液体在喷口处汇合时，由于时间极短，液滴固化前不会融合为一体，从而形成具有芯-壳结构的丝素蛋白微球。同时由于生长因子溶液在电场作用下喷出后全部包埋于微球内部，基本无损失，因此这种芯-壳结构的丝素微球具有较高的药物包埋率。

将EDC加入丝素溶液中后，其首先与蛋白质羧基侧链偶合形成一种中间产物酰基异脲，然后受到蛋白质上伯胺基团的亲核试剂进攻而形成酰胺交联，从而使蛋白质水溶液迅速形成凝胶。参与反应的基团有天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸等。当加入NHS及MES可以提高交联效果。而当京尼平加入到丝素溶液中时，丝素分子上的自由氨基可对京尼平上的3-C原子发起亲核攻击，使六元环发生开环形成新的醛基，新生成的二级胺可与醛基形成新的分子内共价键。同时京尼平自身在一定条件下可以发生聚合反应，再与丝素分子上的自由氨基发生反应形成分子间的共价键，达到交联效果。

丝素微球中的孔是其中的冰升华后留下的空隙。在丝素溶液冷冻过程中，当丝素溶液中的水的温度低于冰点而过冷却时，由于热交换而产生了微小的冰核，只要过冷却的程度足以使不稳定相（丝素溶液相）中水的化学势比冰核高，冰核便可以成为较大的冰粒子。而周围的丝素溶液则相应的被浓缩，使处于无归卷曲结构的丝素分子间距离缩短，不同线团上的链段相互贯穿，形成了连续的丝素溶液相。其后将分散在丝素相中的冰升华后，便得到了多孔丝素材料。经冷冻干燥制备的丝素微球表面及内部均呈多孔结构，孔之间的连通性较好，非常适合用于细胞载体或药物缓释系统。

本发明具有以下明显优点：

1、由于丝素蛋白材料无毒性、无刺激作用，因此，本发明提供的微载体对细胞的黏附、生长、增殖以及分化的支持具有良好的作用，特别适用于作为细胞培养的微载体；同时，该微球表面及内部呈多孔结构，增大了比表面积，为细胞提供了生长空间；还由于生长因子被包埋在丝素微球的内部，可较好的保持其活性，并可靠微孔通道实现药物的持续、缓慢释放。本发明技术方案提供的丝素蛋白微球除了可用做细胞培养载体外，还可用做药物缓释载体、酶固定材料等。

2、利用同轴高压静电技术和冷冻干燥法，可以得到粒径可控、具有芯-壳结构的多孔再生丝素微球。该法工艺过程简单、设备简易、微球载药率和包埋率较高、粒径分布均匀并且尺寸可控，方便选择最适合细胞生长的微球大小，是一种制备丝素微球的新方法。

3、采用再生丝素水溶液制备丝素微球，整个工艺过程无需添加引发剂、表面活性剂、有毒试剂或有机溶剂等，不会引起丝素蛋白生物相容性的降低。

附图说明

图1是本发明实施例提供的丝素微球壳层的红外吸收光谱图。

图2和图3分别是本发明实施例提供的丝素微载体的电子显微镜照片。

图4是本发明实施例提供的丝素微载体横截面的电子显微镜照片。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步描述：

实施例一：

将150 g家蚕生丝放入6 L质量浓度为0.05%的Na₂CO₃水溶液中，于98～100^oC处理30min，重复3次，使蚕丝脱胶，充分洗涤干燥后得到纯丝素纤维。将纯丝素纤维加入三元溶液中（由CaCl₂/水/乙醇摩尔比为1:8:2配成）溶液中，在72^oC搅拌溶解成丝素蛋白混合溶液。将所得到的丝素混合溶液装入透析袋中，用去离子水透析4天，以除去杂质（Li、Br等），得到纯的丝素蛋白溶液。

调节丝素蛋白溶液的质量浓度为3%，将丝素质量20%的EDC、10%的NHS、20%的MES均匀加入丝素溶液中，得到丝素壳层溶液。

将血管内皮生长因子配置为浓度为800ng/ml的水溶性药物芯层溶液。

将丝素壳层溶液与水溶性药物芯层溶液分别加入到壳层和芯层的注射器内，采用高压静电方法，将丝素壳层溶液和水溶性药物芯层溶液经两个喷头喷出微米级的液滴，以液氮为凝固浴，得到具有芯-壳结构的固化液滴。采用高压静电的具体方法是：高压静电发生器的正极与两个喷头连接，所述的两个喷头为同轴套装在一起，其中外层的一个为壳层溶液喷头，内层的一个为芯层溶液喷头；高压静电发生器的负极与收集装置连接，收集装置用铺有铝箔的塑料盒做成。接通电源后，在电场力的牵伸作用下，芯、壳层溶液经两个同轴的喷头喷出微米级的液滴，用液氮作为凝固浴使液滴凝固，得到具有芯-壳结构的固化液滴。液滴直径可通过调整丝素溶液浓度、高压静电发生器的工作电压、喷头喷针的直径及芯、壳溶液的推注速度等方法控制。在本实施例中，高压静电发生器的工作固定电压为9 kV，极距10 cm，壳层溶液喷头的内径为1.6mm，芯层溶液喷头喷针的外径为1mm，内径为0.7mm，芯层溶液的推注速度为0.1 ml/h，壳层溶液的推注速度为1ml/h。

将上述固化液滴进行冷冻干燥，冷冻干燥的工艺条件为：在-60℃的温度条件下以2℃/min的升温速度升至室温，再干燥处理12h，得到难溶于水的芯-壳结构的丝素微球。

参见附图1，它是本实施例提供的丝素微球壳层的红外吸收光谱图，由图1可以看到，其分子构象以无归卷曲为主，约占90%，同时还含有少量的silkⅠ和silkⅡ结构。

参见附图2和3，它们分别是本实施例提供的丝素微载体的电子显微镜照片，由图2可以看到，所提供的丝素微载体为微球状，微球平均直径为452.8 μm；由图3可以清楚地看到，丝素微载体的壳层呈多孔结构，孔径为5～20 μm。

参见附图4，它是本实施例提供的丝素微载体横截面的电子显微镜照片，由图4可以看到，其芯核与壳层的结构不同，壳层为丝素蛋白，呈多孔结构，芯核的成分为水溶性药物，结构致密。

实施例二：

将100 g柞蚕生丝放入5 L质量浓度为0.25%的Na₂CO₃水溶液中，于98～100^oC处理45 min，重复3次，使蚕丝脱胶，充分洗涤干燥后得到柞蚕丝素纤维。将柞蚕丝素纤维加入熔融的四水合硝酸钙中，在105^oC搅拌溶解成柞蚕丝素蛋白混合溶液。将所得到的混合溶液装入透析袋中，用去离子水透析4天，去除杂质得到纯的柞蚕丝素蛋白溶液。

调节柞蚕丝素溶液的质量浓度为1.5%，将丝素质量20%的EDC、10%的NHS、20%的MES均匀加入丝素溶液中，得到丝素壳层溶液。将胰岛素样生长因子配置为浓度为500ng/ml的水溶性药物芯层溶液。

将壳层和芯层两种溶液分别倒入注射器内，固定电压6 kV，极距10 cm，芯层溶液的推注速度0.2ml/h，壳层溶液的推注速度为2ml/h，外喷针的内径为2mm，内喷针的外径为1.2mm，内径为0.9mm，用液氮作为凝固浴使液滴凝固。

将上述固化液滴进行冷冻干燥，冷冻干燥的工艺条件为：在-20℃的温度条件下以速度为0.2℃/min升温至室温，再干燥处理72h，得到难溶于水的丝素微球。

经检测，微球表面及内部呈多孔结构，平均直径为523.6 μm，不溶于水。

实施例三：

用煮沸的浓度为3.5‰的Na₂CO₃溶液处理天蚕茧共三次，每次30 min，使蚕丝脱胶，充分洗涤干燥后得到天蚕丝素纤维。将天蚕丝素纤维加入熔融的四水合硝酸钙中，在90^oC搅拌溶解成天蚕丝素蛋白混合溶液。将所得到的混合溶液装入透析袋中，用去离子水透析4天，去除杂质得到纯的天蚕丝素蛋白溶液。

调节天蚕丝素溶液浓度为2%，将丝素质量20%的EDC、10%的NHS、20%的MES均匀加入丝素溶液中，得到壳层溶液。

将神经生长因子配置为浓度为200ng/ml的水溶性药物芯层溶液。

将壳层和芯层两种溶液分别倒入注射器内，固定电压10 kV，极距10 cm，芯层溶液的推注速度0.15 ml/h，壳层溶液的推注速度为3ml/h，外喷针的内径为1mm，内喷针的外径为0.45mm，内径为0.2mm，用液氮作为凝固浴使液滴凝固。

将上述固化液滴进行冷冻干燥，冷冻干燥的工艺条件为：在-30℃的温度条件下以速度为1℃/min升温至室温，再干燥处理40 h，得到难溶于水的丝素微球。

经检测，该微球表面及内部呈多孔结构，平均直径为128.3 μm，不溶于水。

实施例四：

将150 g家蚕生丝放入6 L质量浓度为0.05%的Na₂CO₃水溶液中，于98～100^oC处理30 min，重复3次，使蚕丝脱胶，充分洗涤干燥后得到纯丝素纤维。将纯丝素纤维加入9.3 mol/l的LiBr水溶液中，在65±2^oC搅拌溶解成丝素蛋白混合溶液。将所得到的丝素混合溶液装入透析袋中，用去离子水透析4天，以除去LiBr等杂质，得到纯的丝素蛋白溶液。

调节丝素溶液的质量浓度为6%，将丝素质量10%的京尼平均匀加入丝素溶液中，37^oC反应12 h，得到壳层溶液。将碱性成纤维细胞生长因子配置为浓度为600ng/ml的水溶性药物芯层溶液。

将壳层和芯层两种溶液分别倒入注射器内，固定电压11kV，极距10 cm，芯层溶液的推注速度0.5 ml/h，壳层溶液的推注速度为1.5ml/h，外喷针的内径为1.2mm，内喷针的外径为0.9mm，内径为0.6mm，用液氮作为凝固浴使液滴凝固。

将上述固化液滴进行冷冻干燥，冷冻干燥的工艺条件为：在-50℃的温度条件下以速度为1.5℃/min升温至室温，再干燥处理20h，得到难溶于水的丝素微球。

经检测，微球表面及内部呈多孔结构，平均直径为363.6 μm，不溶于水。

实施例五：

调节丝素溶液浓度为5%，将丝素质量20%的京尼平均匀加入丝素溶液中，37^oC反应12 h，得到壳层溶液。将转化生长因子-β配置为浓度为300ng/ml的水溶性药物芯层溶液。

将壳层和芯层两种溶液分别倒入注射器内，固定电压12 kV，极距10 cm，芯层溶液的推注速度0.7ml/h，壳层溶液的推注速度为2ml/h，外喷针的内径为1mm，内喷针的外径为0.8mm，内径为0.5mm，用液氮作为凝固浴使液滴凝固。对固化液滴采用冷冻干燥处理，工艺条件可以为：在温度为-60℃～-20℃的条件下，以速度为0.2℃～2℃/min升温至室温，再在室温条件下干燥处理12h～72h，得到难溶于水的丝素微球。经检测，微球表面及内部呈多孔结构，平均直径为216.4 μm，不溶于水。

Claims

1. 一种丝素蛋白微载体，其特征在于：它为芯-壳结构的微球状，微球直径为100～500 μm；其壳层呈多孔结构，孔径为5～20 μm，壳层的成分为丝素蛋白，所述丝素蛋白的分子结构中，无规卷曲构象为80%～90%，其余为 SilkⅠ和SilkⅡ构象；其芯核的成分为水溶性药物；所述水溶性药物为下述细胞生长因子中的一种或它们的任意组合：酸性成纤维细胞生长因子、碱性成纤维细胞生长因子、血管内皮生长因子、转化生长因子-β、转化生长因子-α、神经生长因子、胰岛素样生长因子、血小板衍生因子；

所述丝素蛋白微载体采用下列方法之一制备：

将蚕丝脱胶、溶解、透析处理后得到浓度为1%～10%/wt的丝素蛋白溶液，再进行如下步骤的加工：

（1）将吗啉-乙磺酸、N-羟基丁二酰亚胺和1-乙基-3（3-二甲基氨丙基）碳化二亚胺溶解于丝素蛋白溶液中，得到壳层溶液；按质量比，丝素蛋白：吗啉-乙磺酸：N-羟基丁二酰亚胺：1-乙基-3（3-二甲基氨丙基）碳化二亚胺为1：0.05～0.25：0.05～0.2：0.1～0.35；

（2）将水溶性药物溶解，制备浓度为100ng/ml～1000ng/ml的芯层溶液；

（3）采用高压静电方法，将壳层溶液和芯层溶液经两个喷头喷出微米级的液滴，以液氮为凝固浴，得到具有芯-壳结构的固化液滴；所述的两个喷头为同轴套装在一起，其中外层的一个为壳层溶液喷头，内层的一个为芯层溶液喷头；

（4）采用冷冻干燥法将固化的液滴干燥，得到一种芯-壳结构微球状的丝素蛋白微载体；

或者，

（1）将京尼平溶解于丝素蛋白溶液中，按质量比，丝素蛋白：京尼平为1：0.1～0.40，得到壳层溶液；

（4）采用冷冻干燥法将固化的液滴干燥，得到一种芯-壳结构微球状的丝素蛋白微载体。

2. 根据权利要求1所述的一种丝素蛋白微载体，其特征在于：丝素蛋白为天然家蚕、柞蚕或天蚕的丝素蛋白。

3. 一种制备如权利要求1所述的丝素蛋白微载体的方法，将蚕丝脱胶、溶解、透析处理后得到浓度为1%～10%/wt的丝素蛋白溶液，其特征在于再进行如下步骤的加工：

4. 根据权利要求3所述的一种制备丝素蛋白微载体的方法，其特征在于：高压静电方法的工艺条件为：电源电压3～15 kV；芯核溶液的推注速度为0.1～1 ml/h，壳层溶液的推注速度为0.1～5ml/h。

5. 根据权利要求3所述的一种制备丝素蛋白微载体的方法，其特征在于：壳层溶液喷头的喷针内径为1～2mm；芯层溶液喷头的喷针外径为0.45～1.6mm，内径为0.1～1.2mm。

6. 一种制备如权利要求1所述的丝素蛋白微载体的方法，将蚕丝脱胶、溶解、透析处理后得到浓度为1%～10%/wt的丝素蛋白溶液，其特征在于再进行如下步骤的加工：

7. 根据权利要求6所述的一种制备丝素蛋白微载体的方法，其特征在于：高压静电方法的工艺条件为：电源电压3～15 kV；芯核溶液的推注速度为0.1～1 ml/h，壳层溶液的推注速度为0.1～5ml/h。

8. 根据权利要求6所述的一种制备丝素蛋白微载体的方法，其特征在于：壳层溶液喷头的喷针内径为1～2mm；芯层溶液喷头的喷针外径为0.45～1.6mm，内径为0.1～1.2mm。