CN102061097A

CN102061097A - 一种双光子荧光生物丝材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102061097A
Application number: CN 201010564570
Authority: CN
Inventors: 刘向阳; 徐洪耀; 林乃波
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2030-11-30
Also published as: CN102061097B

Abstract

本发明涉及一种双光子荧光生物丝材料及其制备方法，该材料由双光子有机荧光物与生物丝蛋白材料均匀复合构成，其质量比为0.001-50∶100；该材料激发波长位于近红外，荧光波长小于激发波长。制备包括：在20-110℃下将经过前处理的蚕丝加入含双光子有机荧光物的二甲亚砜溶液中，搅拌，洗涤，干燥即得；或将蚕丝蛋白溶液加入含双光子有机荧光物的二甲亚砜溶液中，搅拌得混合溶液，通过干燥、静置或纺丝即得。本发明的材料具有在近红外激光照射下有较强的双光子吸收和可调双光子荧光性能，激发光源波长为生物光学透明，并对生物组织无损伤，材料具有良好的生物相容性，强的力学性能，易制备，经济效益好，适用于工业化生产。

Description

一种双光子荧光生物丝材料及其制备方法

技术领域

本发明属双光子荧光生物丝材料及其制备领域，特别是涉及一种双光子荧光生物丝材料及其制备方法。

背景技术

生物丝是由生物可降解的高分子形成的生物纤维。生物丝的种类繁多，研究较多的包括蜘蛛丝和蚕丝。蜘蛛丝具有其他各种合成纤维所无法比拟的，比模量优于钢，而韧性优于Kevlar纤维。作为优异的能量吸收纤维，蜘蛛丝被认为是用作降落伞、防弹衣的理想材料，在纺织业、生物技术、医疗、精细化工及军用材料等领域具有广泛的应用前景。人们研究蜘蛛丝已经有一个多世纪，研究内容涉及到蛛丝丝蛋白基因识别、表达、结构与性能、仿生、氨基酸组成等。

蚕丝是我国古代文明产物之一，相传黄帝之妃螺祖始教民育蚕，甲骨文中就有很多丝字及丝旁之字。蚕丝分为家蚕丝与野蚕丝，其中以家蚕丝(即桑蚕丝)为主，约占整个丝绸原料总产量的95％。天然蚕丝是典型的蛋白质纤维，它是两根由丝胶粘结而成的丝心蛋白长丝，丝心蛋白的横截面积呈近三角形或椭圆形。除了丝心蛋白和丝胶蛋白以外，一般还含有少量的其他物质，如蜡、脂肪酸、无机物和色素。蚕丝蛋白是由重复氨基酸序列单元构成的结晶部分和无序氨基酸构成的无定形部分组成。蚕丝不仅用作制备服饰，作为手术缝合线已经有几个世纪的历史了。蚕丝也可以通过修饰得到不同种性能的功能蚕丝品及材料，如制备高强度的组织支架材料，与TiO₂复合制备杀菌功能材料以及与磁性纳米氧化铁复合制备磁性蚕丝。此外，可以根据丝素溶液这种特性制成粉、纤维、膜和凝胶等小量需要的形状生物材料。最近蚕丝溶液也被用来制备凝胶，生物海绵体和薄膜生物材料，被成功的应用在伤口愈合，骨头，软骨，腱和韧带修复等组织工程上。蚕丝具有独特的生相容和可降解性，许多原细胞和细胞系在蚕丝中培养出来，并具有优异的性能。

荧光纤维是指在普通光或特殊光照射下能够发光的功能材料，可应用于安全领域、装饰服饰领域，防伪领域和生物探针等领域。根据发光的激发光源不同，荧光纤维可以分为单光子荧光纤维和双光子荧光纤维。以短波长激发光(如紫外等)照射而发出长波长荧光的纤维，称为单光子荧光纤维；以长波长激发光(如近红外等)照射而发出短波长荧光的纤维，称为双光子荧光纤维。

单光子荧光纤维已有报道，双光子荧光纤维则未曾报道。CN1328177A用稀土元素铕和铝酸锶的混合物作紫外线荧光材料，制成紫外线荧光母粒，然后用常规纺丝设备纺制成圆截面皮芯型复合丝，荧光母粒形成芯丝，而常规聚酯形成皮层。CN1299888A专利报道，以聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚氯乙烯纤维、醋酸纤维、聚醋纤维为纤维原料，溶于有机溶剂中溶胀，如在每100毫升溶剂中溶入0.5～8.0克紫外有机荧光物质，有机荧光物质在该溶剂中的溶解度为每100毫升溶剂大于等于0.5克，以所形成的有机荧光物质溶液为″染液″，然后按照纺织工业的常规染色过程进行“染色”，得到紫外荧光纤维。CN101177799A专利报道，将3～4份荧光纳米颗粒与7～6份高聚物，再加入0.15～0.2份分散剂进行均匀混合，以此混合物造粒，作为复合纤维中具有荧光作用的主体部分，混合的聚合物中纳米荧光材料含量不大于40％，再与成纤高聚物按照一定比例混合，作为纤维皮芯结构的芯层，最后在皮芯结构的复合纺丝机上，将上述了混合有荧光材料的高聚物为芯层进行纺丝，制备了具有环境警报作用的纳米荧光纤维织物。CN101440591A将铕和钒(磷)酸盐制备成荧光纤维后，能够在自然光和365nm紫外光激发下呈现无色，254nm紫外光激发下呈现鲜艳红色，同时，具有性能稳定、耐性好、高发光量子效率等优点，可用于文件防伪的荧光纤维。CN101735801A采用苯乙烯吡啶盐衍生物为荧光染料，与聚乙烯醇(PVA)共混制成纺丝原液并进行静电纺的方法，得到荧光橙色纤维膜。纤维膜具有良好的线性光学性能，水溶性好，与PVA水溶液有很好的相容性。CN2290465Y采用粘合剂技术将含有荧光纤维的涂料均匀地制成涂布胶层，得到了具有和荧光纸张同样的防伪效果的双层或三层结构复合塑料膜。CN101519857A利用荧光纤维制备了“激发光光角变化致荧光纤维变色的防伪纤维及防伪材料”。CN 2731620Y将表面信息层、基材层、不干胶层和硅油纸层多层叠置复合，并可在表面信息层与基材层之间或基材层与不干胶层之间设置有隐含信息层，得到了防伪功能的有色纤维和/或荧光纤维的荧光纤维纸。CN 201395744Y提供了一种具有光角变色荧光纤维的邮资票品专用纸，该邮资票品专用纸，包括有基纸层，在有基纸层内分布有光角变色荧光纤维，该光角变色荧光纤维的视觉特征随激发光照射角度的改变而变化。

具有单光子荧光的蚕丝纤维不仅具有普通荧光纤维的特性，而且具有良好的生物相容性，可以用作生物探针材料。日本宇都工业大学的科学家采用基因技术培养出了绿色荧光蚕丝，使蚕丝蛋白中含有水母的绿色荧光蛋白质，蚕丝成为一种能够在黑暗中发出绿色荧光的纤维。CN 101275362A以蚕丝为核，在蚕丝表面通过静电吸附的方法连接一层含有机高分子，再在有机高分子表面通过静电吸附的方法连接一层量子点纳米粒子，或多次交替重复上述步骤，然后在量子点纳米粒子表面通过静电吸附的方法连接一层有机高分子，构成一次或多次量子点包覆的荧光蚕丝。CN 101008150A采用天然蚕丝纤维作为基体材料，先后将其在一定浓度的金属盐溶液和硫源溶液中进行浸渍处理，通过对浸渍液浓度，反应时间的调节来控制半导体纳米颗粒的形貌、大小及在基体上的分布情况，得到纳米半导体粒子增强蚕丝纤维基复合材料，这种生物相容性好的蚕丝复合材料在光化学催化、光致发光、生物检测和标记等领域具有重大的应用价值。

然而，现有单光子荧光蚕丝蛋白材料的激发光源为短波长紫外光等，光损伤性大。在生物探针监测应用时，检测清晰度和深度低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种双光子荧光生物丝材料及其制备方法，该材料具有在近红外激光照射下有较强的双光子吸收和可调双光子荧光性能，激发光源波长为生物光学透明，并对生物组织无损伤，材料具有良好的生物相容性，强的力学性能，易制备，经济效益好，适用于工业化生产。

本发明的一种双光子荧光生物丝材料，该材料由双光子有机荧光物与生物丝蛋白材料均匀复合构成，其质量比为0.001-50∶100；该材料激发波长位于近红外(780-1300nm)，荧光波长小于激发波长(600-1300nm)。

所述的双光子有机荧光物包括：二苯乙烯类衍生物，偶氮类衍生物，噻吩类衍生物，芴类衍生物，咔唑类衍生物，蒽类衍生物或吡啶类衍生物等。

所述的双光子有机荧光物为2，7-二硝基苯乙烯基-9，9’-二丁基芴、2，7-二硝基苯乙烯基-9，9’-二辛基芴、2，7-二溴-9，9-二丁基芴中的一种或几种。

所述的双光子荧光生物丝材料的形态包括：生物丝纤维，生物丝纤维，再生生物丝薄膜，再生生物丝凝胶和再生生物丝泡沫。

所述的双光子荧光生物丝材料的荧光波长可调。方法如：改变荧光材料分子结构。

所述的双光子荧光生物丝材料的荧光物质均匀混合并埋入生物丝材料体相及/或表面相。

本发明的一种双光子荧光生物丝材料的制备方法，包括：

在20-110℃下将经过前处理的蚕丝加入含双光子有机荧光物的溶液中，此溶液能够使蚕丝蛋白溶胀，搅拌，洗涤，干燥即得，其中双光子有机荧光物与蚕丝的质量比为0.001-50∶100；

或将蚕丝蛋白溶液加入含双光子有机荧光物的溶液中，搅拌得混合溶液，通过干燥、静置或纺丝即得，其中双光子有机荧光物与蚕丝蛋白的质量比为0.001-50∶100。

所述的蚕丝的前处理过程为：将蚕丝浸泡，洗涤脱胶和干燥。

所述的蚕丝蛋白溶液的制备包括：将碎蚕茧用0.05％(w/v)NaHCO₃的溶液洗涤去除丝胶，然后用去离子水洗涤，自然干燥；在40℃将所得的干燥蚕丝纤维溶解在9.3mol/L的LiBr溶液中，再用透析的方法在蒸馏水中析出LiBr，得到浓度为2.0-4.0wt.％蚕丝蛋白溶液。

所述含双光子有机荧光物的溶液中的溶剂为二甲亚砜。

所述的混合溶液在湿度(10～60％)和温度(20～80℃)条件下干燥得到双光子荧光蚕丝薄膜；混合溶液在-85～-58℃和真空条件，冷冻干燥2天得到双光子荧光蚕丝泡沫；在室温条件下，静置混合溶液得到双光子荧光蚕丝蛋白凝胶；采用溶液纺丝的方法或者静电纺丝的方法，得到不同纤度的再生双光子荧光蚕丝纤维。

设计含有反应基团的有机双光子荧光分子，利用反应基团与蚕丝蛋白上羟基之间进行化学反应形成共价键，使双光子荧光分子组装并均匀分布在蚕丝蛋白中。

技术路线：

利用蚕丝丝心蛋白的羟基与双光子荧光分子的羧酸基在EDC，DMAP催化下脱水，达到修饰的目的。R为双光子荧光有机物。

本发明制备双光子荧光生物丝材料的方法：1.物理组装的方法是修饰得到含有极性基团的有机双光子荧光材料与生物丝蛋白分子发生强相互作用；2.化学反应的方法是合成具有反应基团的有机双光子荧光材料与生物丝蛋白分子发生化学反应生成共价键。所得生物丝材料具有良好的双子荧光性和力学性能。双光子荧光材料与生物丝蛋白分子相互作用稳定，双光子荧光材料在生物丝蛋白中的分布均匀。该双光子荧光生物丝材料可广泛用于荧光服饰、标签、防伪和生物探针等领域。

本发明制备双光子荧光生物丝，以生物质透明近红外光为光源，消除毒性，提高检测深度和清晰度。另外，在有机荧光材料上修饰可与生物丝蛋白相互作用的极性基团，或者修饰上可与生物丝蛋白上羟基反应的基团，使荧光材料固定并均匀分散在在生物丝蛋白内，避免了双光子荧光材料在生物丝蛋白之间分布不均匀，引起双光子荧光性能因材料聚集而淬灭，影响双光子荧光生物丝整体发光性能以及力学性能。

有益效果

(1)本发明的双光子荧光生物丝材料激发波长在近红外区域，对环境、生物组织均具有优良的穿透性，提高检测深度和灵敏度；

(2)本发明通过物理组装或化学反应的方法，得到系列生物相容的有机双光子荧光生物丝蛋白材料，双光子荧光材料与生物丝蛋白分子之间通过强相互作用力或共价键联系，提高了材料的稳定性；

(3)通过强相互作用力合化学键将双光子荧光材料引入到有生物丝蛋白材料中，得到双光子荧光生物丝蛋白材料，双光子荧光材料在复合材料中分散均匀，双光子生物丝荧光复合材料具有良好的双光子荧光性能和力学性能。

附图说明

图1为2，7-二硝基苯乙烯基-9，9’-二辛基芴修饰的蚕丝纤维的双光子谱图(激发光源波长为800nm，接收波段为500-700nm)；

图2为双光子荧光蚕丝纤维的双光子荧光光谱；

图3为双光子荧光显微镜从蚕丝一层层扫描蚕丝纤维的照片；

图4为双光子荧光蚕丝的力学性能；

图5为织布的三维双光子荧光照片；

图6为双光子荧光凝胶的照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

通过合成得到含硝基芴类衍生物的双光子荧光分子

蚕丝来自于两广2号家蚕品种。蚕丝原丝用含有肥皂(10g·L^-1)和碳酸钠(5g·L^-1)的溶液在85℃的条件下浸泡45分钟，然后用蒸馏水洗涤脱胶，自然干燥。由于分子两端的硝基基团有强极性，可以与蛋白质分子链上羰基形成氢键。在60～110℃，1g蚕丝纤维/织物与0.04g上述双光子荧光有机分子在20mL二甲基亚砜(DMSO)溶液密封搅拌30～100分钟。取出蚕丝用蒸馏水超声波洗涤，晾干，得双光子荧光蚕丝。

通过z-scan的方法，我们得到了2，7-二硝基苯乙烯基-9，9’-二丁基芴和2，7-二硝基苯乙烯基-9，9’-二辛基芴的双光子吸收截面分别为3618 GM和4796 GM。图1是2，7-二硝基苯乙烯基-9，9’-二辛基芴修饰的蚕丝纤维的双光子谱图(激发光源波长为800nm，接收波段为500-700nm)，从图中可以看出蚕丝均匀地发出双光子荧光。图2为双光子荧光蚕丝纤维的双光子荧光光谱。图3为双光子荧光显微镜从蚕丝一层层扫描蚕丝纤维的照片，可发现荧光不仅来自蚕丝表面，在蚕丝纤维的内部也发射均匀的双光子荧光，证明双荧光分子均匀的分布在蚕丝纤维中。蚕丝纤维的力学性能测试发现，双光子荧光蚕丝的力学性能与原丝没有明显不同(如图4)。

双光子荧光蚕丝织布的制备方法与双光子荧光纤维的制备方法相同。图5为织布的三维双光子荧光照片。

实施例2

采用蚕丝来自于两广2号家蚕品种的蚕茧，把茧剪成碎片，用0.05％(w/v)NaHCO₃的溶液在100℃洗涤50分钟去除丝胶，然后用去离子水洗涤数次，自然干燥。在40℃将所得的干燥蚕丝纤维溶解在9.3mol/L的LiBr溶液中，再用透析的方法在蒸馏水中析出LiBr，得到蚕丝蛋白溶液。用称重法测定蚕丝蛋白的浓度为～4.0wt.％。

在上述蚕丝蛋白溶液中加入0.5mL含有0.5mg 2，7-二溴-9，9-二丁基芴或2，7-二硝基苯乙烯基-9，9’-二辛基芴二甲基亚砜(DMSO)溶液，混合均匀得到黄色透明荧光蚕丝蛋白溶液。在室温下，经过10～100h得到双光子荧光蚕丝蛋白凝胶(图6)。

取上述黄色透明双光子荧光蚕丝蛋白溶液1mL平铺于直径为2cm平圆底聚苯乙烯培养皿中，于湿度是20～45％，温度为25～45℃的环境箱干燥，经8～24h后得透明双光子荧光蚕丝薄膜。

取上述黄色透明双光子荧光蚕丝蛋白溶液8mL于直径为2cm平圆底聚苯乙烯培养皿中，于温度为-58～-85℃冷冻干燥器，真空条件下10～100h后得双光子荧光蚕丝泡沫。

实施例3

在氮气氛保护下，将1g蚕丝纤维/织物，罗丹明B(2.0mmol，958mg)和催化量的DMAP溶于干燥无水的DMSO(25mL)中，用冰水浴冷0℃。在搅拌下将DCC(2.2mmol，454mg)的二氯甲烷(5mL)溶液逐滴滴入上述溶液中。逐步将反应温度升至室温并搅拌反应6～10h。取出蚕丝用二氯甲烷，蒸馏水超声波洗涤，晾干，得单光子荧光蚕丝。反应式如下：

Claims

1.一种双光子荧光生物丝材料，该材料由双光子有机荧光物与生物丝蛋白材料均匀复合构成，其质量比为0.001-50∶100；该材料激发波长位于近红外780-1300nm，荧光波长小于激发波长600-1300nm。

2.根据权利要求1所述的一种双光子荧光生物丝材料，其特征在于：所述的双光子有机荧光物为二苯乙烯类衍生物、偶氮类衍生物、噻吩类衍生物、芴类衍生物、咔唑类衍生物、蒽类衍生物或吡啶类衍生物。

3.根据权利要求1所述的一种双光子荧光生物丝材料，其特征在于：所述的双光子有机荧光物为2，7-二硝基苯乙烯基-9，9’-二丁基芴、2，7-二硝基苯乙烯基-9，9’-二辛基芴、2，7-二溴-9，9-二丁基芴中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的一种双光子荧光生物丝材料，其特征在于：所述的双光子荧光生物丝材料的形态为生物丝纤维、生物丝纤维、再生生物丝薄膜、再生生物丝凝胶或再生生物丝泡沫。

5.一种双光子荧光生物丝材料的制备方法，包括：

在20-110℃下将经过前处理的蚕丝加入含双光子有机荧光物的溶液中，搅拌，洗涤，干燥即得，其中双光子有机荧光物与蚕丝的质量比为0.001-50∶100；

6.根据权利要求5所述的一种双光子荧光生物丝材料的制备方法，其特征在于：所述的蚕丝的前处理过程为：将蚕丝浸泡，洗涤脱胶和干燥。

7.根据权利要求5所述的一种双光子荧光生物丝材料的制备方法，其特征在于：所述含双光子有机荧光物的溶液中的溶剂为二甲亚砜。

8.根据权利要求5所述的一种双光子荧光生物丝材料的制备方法，其特征在于：所述的蚕丝蛋白溶液的制备包括：将碎蚕茧用0.05％w/v NaHCO₃的溶液洗涤去除丝胶，然后用去离子水洗涤，自然干燥；在40℃将所得的干燥蚕丝纤维溶解在9.3mol/L的LiBr溶液中，再用透析的方法在蒸馏水中析出LiBr，得到浓度为2.0-4.0wt.％蚕丝蛋白溶液。

9.根据权利要求5所述的一种双光子荧光生物丝材料的制备方法，其特征在于：所述的混合溶液在湿度10～60％和温度20～80℃条件下干燥得到双光子荧光蚕丝薄膜；混合溶液在-85～-58℃和真空条件，冷冻干燥2天得到双光子荧光蚕丝泡沫；在室温条件下，静置混合溶液得到双光子荧光蚕丝蛋白凝胶；采用溶液纺丝的方法或者静电纺丝的方法，得到再生双光子荧光蚕丝纤维。