CN103351470B - 弹性蛋白水凝胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种弹性蛋白水凝胶及其制备方法，首先通过酸降解弹性蛋白制得水溶性弹性蛋白α-弹性蛋白，然后利用α-弹性蛋白的温敏性通过戊二醛对其进行交联制备出弹性蛋白水凝胶。通过此方法制得的弹性蛋白水凝胶具有温敏性：在室温下为液态，高于室温时凝聚形成凝胶。同时本发明制得的水凝胶具有多孔结构，在药物释放方面具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于高分子生物材料领域，涉及交联水凝胶的制备方法，更具体的讲，涉及利用交联反应制备弹性蛋白水凝胶的方法。
背景技术
弹性蛋白是一种重要的细胞外基质蛋白，主要存在于韧带、肺、大动脉及皮肤等经常受力而变形的器官中，主要功能是为所在组织和器官提高抵抗反复压缩和变形的能力。弹性蛋白作为细胞外基质的主要成分，具有很好的生物相容性，但由于其高度不溶性导致难以加工成形，限制了在生物工程领域的应用。因此通过对弹性蛋白进行酸降解得到的水解产物α-弹性蛋白被频繁应用于合成弹性蛋白基复合材料。虽然酸降解后的结构存在多样性，但是α-弹性蛋白保持了弹性蛋白的氨基酸组成，仍然保持了弹性蛋白的诸多优点。
同时，α-弹性蛋白具有自组装和相转变的特征。当温度高于某一温度时，α-弹性蛋白通过分子间氢键作用发生自组装，从而导致发生凝聚，进而发生相分离。凝聚过程不仅受温度影响，同时溶液的浓度、pH值、盐浓度及杂质的影响，这些因素主要通过影响分子间疏水基团作用影响凝聚过程。近来，通过牛大动脉平滑肌细胞降解得到的α-弹性蛋白薄膜被应用于血管组织修复。尽管如此，α-弹性蛋白基材料依然是一个有待于进一步深入研究的领域。
发明内容
本发明的技术目的旨在克服现有技术的不足,采用戊二醛交联α-弹性蛋白方法制备弹性蛋白水凝胶，成功的通过交联方法制备出易于加工成形的弹性蛋白基水凝胶材料,即在保持弹性蛋白生物相容性的基础上，首先通过酸降解弹性蛋白制得水溶性弹性蛋白α-弹性蛋白，然后采用戊二醛对α-弹性蛋白进行交联，探索弹性蛋白基水凝胶的制备方法及其性能研究。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现:
弹性蛋白水凝胶及其制备方法，按照下述步骤进行：
步骤1，将α-弹性蛋白粉末后加入蒸馏水磁力搅拌下使其完全悬浮于水中；其中弹性蛋白溶液浓度为50-200mg/mL，搅拌时间为30min。
步骤2，将戊二醛溶液加入步骤1制得的悬浮液中进行交联反应并定形，定形后用蒸馏水清洗表面未反应的戊二醛小分子至清洗完全，制得弹性蛋白水凝胶；其中所述戊二醛与弹性蛋白质量比为5-30%，优选10-15%；交联反应温度为4-15℃，时间为4-6h；定形温度为40-60℃，时间为2-5h。
在步骤1中，选用的α-弹性蛋白可购于sigma，分子量为70—72KD（数均），也可根据文献（Partridge SM,Davis HF,Biochem.J.,61,21(1955)）按照如下步骤进行制备：
（1）用草酸溶液煮沸降解弹性蛋白，脱除脂肪及其他类型蛋白质；
（2）用草酸溶液煮沸降解（1）制得的弹性蛋白至全部降解，得到水解弹性蛋白。
（3）使用氢氧化钠溶液调节（2）所得的溶液pH值，收集沉淀。
（4）清洗（3）收集的沉淀，冻干，得到纯净α-弹性蛋白，备用。
在上述弹性蛋白的制备过程中，所述步骤（1）基质材料为牛颈韧带经丙酮浸泡进行初步脱脂，浸泡时间为24h，并切成约5mm×5mm×5mm规则粒状得到；所述的草酸溶液浓度为0.3-0.7mol/L，降解时间为30-60min；用蒸馏水洗净表面油脂及其他类型蛋白质。
所述步骤（2）所用草酸溶液浓度为1-2mol/L，降解时间为4-6h。
所述步骤（3）所用氢氧化钠溶液浓度为1-6mol/L，调节pH值到4-5，弹性蛋白凝聚形成沉淀。
所述步骤（4）沉淀采用大量蒸馏水除去小分子物质；冻干时间为24h；冻干后弹性蛋白研磨成细粉状。
本发明对冻干后的未反应弹性蛋白与交联弹性蛋白水凝胶进行红外（FTIR,美国Bio-Rad）分析，结果显示相对于曲线1，曲线2中3080cm-1处的吸收峰强度有所减弱，说明弹性蛋白上的-NH2发生了反应，同时900-650cm-1之间的峰数增加，并且强度增大，说明弹性蛋白中的氨基与戊二醛的羰基发生了交联反应。
同时，将未交联与交联后未成型的弹性蛋白溶液分别进行差示扫描量热法分析。热分析仪为美国TA公司所出品的差示扫描量热仪DSCQ20。实验时气氛为氮气，流速为40mL/min，温度的变化区间为10-40℃，升温速率2℃/min。由图2可以发现交联弹性蛋白水凝胶相对于α-弹性蛋白具有更高的温度敏感性，且在25℃左右即可发生相转变。
对不同质量配比的水凝胶进行了溶胀动力学、密度及孔隙率研究，研究发现：随着交联剂质量比的增大溶胀效果逐渐变弱，交联剂/弹性蛋白质量比为10-15%时溶胀效果最佳。并且发现水凝胶的密度随交联剂/弹性蛋白质量比的增加而增大，而孔隙率随交联剂/弹性蛋白质量比的增加而降低，主要因为随着交联剂/弹性蛋白质量比增加，交联度变大，三维网状结构变得密实，孔隙率减小，相同体积凝胶内孔的体积减小，弹性蛋白水凝胶的密实度增大，即密度增大。
本发明的技术方案采用的原料价格低廉；制备方法简单，易于掌握；基于此种方法制备的弹性蛋白水凝胶具有温敏性，在室温下为液态，当温度高于室温时形成凝胶，易于加工成形。同时由于水凝胶的多孔结构，为其在药物释放上的应用奠定了良好的基础。
附图说明
图1是α-弹性蛋白与交联弹性蛋白FTIR光谱图，其中1为α-弹性蛋白，2为交联弹性蛋白。
图2是α-弹性蛋白与交联弹性蛋白DSC曲线图，其中(1为α-弹性蛋白，2为交联弹性蛋白，升温速率为2℃/min。
图3是冻干α-弹性蛋白SEM照片（130×）。
图4是冻干后交联弹性蛋白SEM照片（400×）。
图5是不同质量比戊二醛交联弹性蛋白溶胀率曲线。
图6是弹性蛋白基水凝胶样品的密度对比图。
图7是弹性蛋白水凝胶样品孔隙率对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式进一步说明本发明的技术方案：
实施例1
（1）取新鲜牛颈韧带，用丙酮浸泡24小时，进行初步脱脂，挥干，并切成约5mm×5mm×5mm规则粒状；用0.3mol/L草酸溶液沸腾降解弹性蛋白40分钟，进一步脱除脂肪及其他类型蛋白质；用蒸馏水洗净表面油脂及其他类型蛋白质。
（2）用0.6mol/L草酸溶液沸腾降解步骤（1）得到的弹性蛋白6小时至全部降解，得到水解弹性蛋白。
（3）使用2mol/LNaOH浓溶液调节（2）制得的溶液pH值至4.0左右，收集沉淀。
（4）将（3）的沉淀加入蒸馏水除去小分子物质至清洗完全，冻干24h，得到纯净α-弹性蛋白，备用。
（5）称取（4）制备的α-弹性蛋白粉末后加入蒸馏水磁力搅拌30min使其完全悬浮于水中，浓度为50mg/mL。
（6）将质量比为5%戊二醛溶液加入（5）制得的悬浮液中于4℃下交联5h，于40℃下定形4h,后用蒸馏水清洗表面未反应的戊二醛小分子至清洗完全。制得弹性蛋白水凝胶。
实施例2
（1）取新鲜牛颈韧带，用丙酮浸泡24小时，进行初步脱脂，挥干，并切成约5mm×5mm×5mm规则粒状；用0.4mol/L草酸溶液沸腾降解弹性蛋白40分钟，进一步脱除脂肪及其他类型蛋白质；用蒸馏水洗净表面油脂及其他类型蛋白质。
（2）用0.8mol/L草酸溶液沸腾降解步骤（1）得到的弹性蛋白5.5小时至全部降解，得到水解弹性蛋白。
（3）使用4mol/LNaOH浓溶液调节（2）制得的溶液pH值至4.3左右，收集沉淀。
（4）将（3）的沉淀加入蒸馏水除去小分子物质至清洗完全，冻干24h，得到纯净α-弹性蛋白，备用。
（5）称取（4）制备的α-弹性蛋白粉末后加入蒸馏水磁力搅拌30min使其完全悬浮于水中，浓度为75mg/mL。
（6）将质量比为10%戊二醛溶液加入（5）制得的悬浮液中于8℃下交联3.5h，于40℃下定形3.5h，后用蒸馏水清洗表面未反应的戊二醛小分子至清洗完全。制得弹性蛋白水凝胶。
实施例3
（1）取新鲜牛颈韧带，用丙酮浸泡24小时，进行初步脱脂，挥干，并切成约5mm×5mm×5mm规则粒状；用0.5mol/L草酸溶液沸腾降解弹性蛋白30分钟，进一步脱除脂肪及其他类型蛋白质；用蒸馏水洗净表面油脂及其他类型蛋白质。
（2）用1.0mol/L草酸溶液沸腾降解步骤（1）得到的弹性蛋白3.5小时至全部降解，得到水解弹性蛋白。
（3）使用4mol/LNaOH浓溶液调节（2）制得的溶液pH值至4.5左右，收集沉淀。
（4）将（3）的沉淀加入蒸馏水除去小分子物质至清洗完全，冻干24h，得到纯净α-弹性蛋白，备用。
（5）称取（4）制备的α-弹性蛋白粉末后加入蒸馏水磁力搅拌30min使其完全悬浮于水中，浓度为100mg/mL。
（6）将质量比为10%戊二醛溶液加入（5）制得的悬浮液中于10℃下交联3h，于50℃下定形3h，后用蒸馏水清洗表面未反应的戊二醛小分子至清洗完全。制得弹性蛋白水凝胶。
实施例4
（1）取新鲜牛颈韧带，用丙酮浸泡24小时，进行初步脱脂，挥干，并切成约5mm×5mm×5mm规则粒状；用0.6mol/L草酸溶液沸腾降解弹性蛋白30分钟，进一步脱除脂肪及其他类型蛋白质；用蒸馏水洗净表面油脂及其他类型蛋白质。
（2）用1.2mol/L草酸溶液沸腾降解步骤（1）得到的弹性蛋白3小时至全部降解，得到水解弹性蛋白。
（3）使用4mol/LNaOH浓溶液调节（2）制得的溶液pH值至5.0左右，收集沉淀。
（4）将（3）的沉淀加入蒸馏水除去小分子物质至清洗完全，冻干24h，得到纯净α-弹性蛋白，备用。
（5）称取（4）制备的α-弹性蛋白粉末后加入蒸馏水磁力搅拌30min使其完全悬浮于水中，浓度为150mg/mL。
（6）将质量比为20%戊二醛溶液加入（5）制得的悬浮液中于15℃下交联2h，于60℃下定形2h，后用蒸馏水清洗表面未反应的戊二醛小分子至清洗完全。制得弹性蛋白水凝胶。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (4)
1.弹性蛋白水凝胶，其特征在于，按照下述步骤进行：
步骤1，将α-弹性蛋白粉末加入蒸馏水磁力搅拌下使其完全悬浮于水中，弹性蛋白溶液浓度为50-200mg/mL，搅拌时间为30min；
步骤2，将戊二醛溶液加入步骤1制得的悬浮液中进行交联反应并定形，定形后用蒸馏水清洗表面未反应的戊二醛小分子至清洗完全，制得弹性蛋白水凝胶；所述戊二醛与弹性蛋白质量比为5-30％；交联反应温度为4-15℃，时间为4-6h；定形温度为40-60℃，时间为2-5h；
其中所述α-弹性蛋白按照如下步骤进行制备：
(1)用草酸溶液煮沸降解弹性蛋白，脱除脂肪及其他类型蛋白质；
(2)用草酸溶液煮沸降解(1)制得的弹性蛋白至全部降解，得到水解弹性蛋白；
(3)使用氢氧化钠溶液调节(2)所得的溶液pH值，收集沉淀；
(4)清洗(3)收集的沉淀，冻干，得到纯净α-弹性蛋白，备用；
在上述弹性蛋白的制备过程中，所述步骤(1)基质材料为牛颈韧带经丙酮浸泡进行初步脱脂，浸泡时间为24h，并切成5mm×5mm×5mm规则粒状得到；所述的草酸溶液浓度为0.3-0.7mol/L，降解时间为30-60min；用蒸馏水洗净表面油脂及其他类型蛋白质；
所述步骤(2)所用草酸溶液浓度为1-2mol/L，降解时间为4-6h；
所述步骤(3)所用氢氧化钠溶液浓度为1-6mol/L，调节pH值到4-5，弹性蛋白凝聚形成沉淀；
所述步骤(4)沉淀采用大量蒸馏水除去小分子物质；冻干时间为24h；冻干后弹性蛋白研磨成细粉状。
2.根据权利要求1所述的弹性蛋白水凝胶，其特征在于，在所述步骤2中，所述戊二醛与弹性蛋白质量比为10-15％。
3.弹性蛋白水凝胶的制备方法，其特征在于，按照下述步骤进行：
步骤1，将α-弹性蛋白粉末加入蒸馏水磁力搅拌下使其完全悬浮于水中，弹性蛋白溶液浓度为50-200mg/mL，搅拌时间为30min；
步骤2，将戊二醛溶液加入步骤1制得的悬浮液中进行交联反应并定形，定形后用蒸馏水清洗表面未反应的戊二醛小分子至清洗完全，制得弹性蛋白水凝胶；所述戊二醛与弹性蛋白质量比为5-30％；交联反应温度为4-15℃，时间为4-6h；定形温度为40-60℃，时间为2-5h；
其中所述α-弹性蛋白按照如下步骤进行制备：
(1)用草酸溶液煮沸降解弹性蛋白，脱除脂肪及其他类型蛋白质；
(2)用草酸溶液煮沸降解(1)制得的弹性蛋白至全部降解，得到水解弹性蛋白；
(3)使用氢氧化钠溶液调节(2)所得的溶液pH值，收集沉淀；
(4)清洗(3)收集的沉淀，冻干，得到纯净α-弹性蛋白，备用；
在上述弹性蛋白的制备过程中，所述步骤(1)基质材料为牛颈韧带经丙酮浸泡进行初步脱脂，浸泡时间为24h，并切成5mm×5mm×5mm规则粒状得到；所述的草酸溶液浓度为0.3-0.7mol/L，降解时间为30-60min；用蒸馏水洗净表面油脂及其他类型蛋白质；
所述步骤(2)所用草酸溶液浓度为1-2mol/L，降解时间为4-6h；
所述步骤(3)所用氢氧化钠溶液浓度为1-6mol/L，调节pH值到4-5，弹性蛋白凝聚形成沉淀；
所述步骤(4)沉淀采用大量蒸馏水除去小分子物质；冻干时间为24h；冻干后弹性蛋白研磨成细粉状。
4.根据权利要求3所述的弹性蛋白水凝胶的制备方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述戊二醛与弹性蛋白质量比为10-15％。
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