CN103911680A

CN103911680A - 一种复合胶原纤维及其制备方法

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Publication number: CN103911680A
Application number: CN201410093617.2A
Authority: CN
Inventors: 金俊江; 张铭倚; 李娟�; 邢更妹
Original assignee: Institute of High Energy Physics of CAS
Current assignee: Institute of High Energy Physics of CAS
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2034-03-13
Also published as: CN103911680B

Abstract

本发明提供了一种复合胶原纤维，其由胶原蛋白在水溶性富勒烯存在下聚合而成。本发明还提供了所述复合胶原纤维的制备方法。本发明提供的复合胶原纤维中加入了水溶性富勒烯，其能够调节胶原蛋白的聚合行为，并且与胶原蛋白形成了复合的胶原纤维，本发明提供的复合胶原纤维力学性能明显下降，纤维的硬度、强度降低，脆性增加，吸水性、粘附性大幅增强，因此可用作敷料、支架等医用材料，扩大了胶原纤维在医学领域的应用。本发明提供的复合胶原纤维制备方法条件温和、工艺简便，可方便进行大规模工业化生产。

Description

一种复合胶原纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及胶原纤维领域，具体涉及一种包含水溶性富勒烯的复合胶原纤维及其制备方法。

背景技术

近年来，越来越多的纳米材料应用于生物医学领域，在疾病诊断和治疗中发挥作用。有报道称，富勒烯可特异与DNA结合，破坏其空间构象，其表面修饰后所得物质如富勒醇等也可引起DNA构象改变。

胶原蛋白占人体全身蛋白质的30%左右，聚合成胶原的蛋白质分子称为原胶原分子，广泛分布于各脏器内，在皮肤、巩膜和肌腱中最为丰富。现有的体外胶原纤维制备方法中，一般不添加外源性物质，主要通过细胞因子、离子调控调控胶原蛋白的聚合。但是，上述制备方法得到的胶原纤维硬度、强度等较高，吸水性、粘附性等性能较差，严重限制了现有胶原纤维在医学领域的应用。因此，在胶原纤维材料领域，还需进一步改进降低其力学性能、增加其吸水性和粘附性，使之更加适用于医学领域。

发明内容

为克服现有胶原纤维制备过程中可控性差、所得胶原纤维力学性能不符合使用要求的缺陷，本发明的目的是提供一种复合胶原纤维。

本发明的另一目的是提供一种复合胶原纤维的制备方法。

本发明提供的复合胶原纤维，其由胶原蛋白在水溶性富勒烯存在下聚合而成。

其中，所述水溶性富勒烯选自表面修饰或未修饰的空心富勒烯或金属内包富勒烯。

其中，所述表面修饰为表面进行羟基化、羧基化或氨基化修饰。

其中，所述金属内包富勒烯中内包金属选自过渡金属或稀土金属。

其中，所述胶原蛋白选自I型胶原蛋白。

本发明提供的所述复合胶原纤维的制备方法为：将水溶性富勒烯制备成水溶液，将胶原蛋白溶于pH为1～2的酸性溶液，然后将所述水溶液与酸性溶液混合，调节所得混合溶液的pH值为7～8，所述胶原蛋白在所述水溶性富勒烯存在下聚合形成所述复合胶原纤维。

其中，所述水溶液与所述酸性溶液以1:1～10的体积比在-5～0℃下混合。

其中，所述水溶性富勒烯在水溶液中的浓度为0.01～100nM/L。

其中，所述酸性溶液选自乙酸或盐酸溶液，所述胶原蛋白在酸性溶液中的浓度为1～6mg/mL。

其中，所述聚合的温度为10～30℃。

本发明提供的复合胶原纤维中加入了水溶性富勒烯，通过氢键和胶原蛋白的氨基酸分子发生结合，其能够调节胶原蛋白的聚合行为，并且与胶原蛋白形成了复合的胶原纤维，与常规方式聚合的胶原纤维相比，本发明提供的复合胶原纤维力学性能有明显下降，纤维的硬度、强度降低，脆性增加，吸水性、粘附性大幅增强，从而能够影响细胞的附着和迁移，因此可用作敷料、支架等医用材料，扩大了胶原纤维在医学领域的应用。

本发明提供的复合胶原纤维制备方法条件温和、工艺简便，可方便进行大规模工业化生产。

附图说明

图1a-1c分别为A、B、C三种情况下所得胶原纤维的同倍数扫描电镜图像；

图2a-2c分别为A、B、C三种情况下所得胶原纤维的同倍数原子力显微镜图像；

其中，A表示无富勒烯纳米颗粒存在下所得的胶原纤维；B表示在浓度为60nM/L的GdC82(OH)22存在下所得的复合胶原纤维；C表示在浓度为60nM/L的C60(OH)30存在下所得的复合胶原纤维；

图3为不同浓度GdC82(OH)22存在下所得胶原纤维的吸光度变化图；

图4为不同浓度GdC82(OH)22存在下所得胶原纤维的硬度变化图；

其中，曲线1表示不含富勒烯的胶原纤维，曲线2-8依次表示GdC82(OH)22浓度分别为0.9375nM/L、1.875nM/L、3.75nM/L、7.5nM/L、15nM/L、30nM/L、60nM/L时所得的复合胶原纤维。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将进一步描述本发明的示例性实施例的技术方案。

本发明的一个方面提供了一种复合胶原纤维，其由胶原蛋白在水溶性富勒烯存在下聚合而成。

在根据本发明的复合胶原纤维中，加入的水溶性富勒烯能够调节胶原蛋白的聚合行为，并与胶原蛋白形成复合物，由于水溶性富勒烯纳米颗粒的参与，能有效降低胶原纤维力学性能，而且，本发明人发现，复合胶原纤维中水溶性富勒烯含量越高，力学性能下降越明显，因此，本领域普通技术人员可根据所需复合胶原纤维的力学性能要求来调节富勒烯与胶原蛋白的质量比，以得到所需的胶原纤维产品。

在根据本发明的复合胶原纤维的一个实施方式中，水溶性富勒烯选自表面修饰或未修饰的空心富勒烯或金属内包富勒烯。

在根据本发明的复合胶原纤维的一个实施方式中，所述的表面修饰为富勒烯表面可进行羟基化、羧基化或氨基化修饰。

在根据本发明的复合胶原纤维的一个实施方式中，所述的金属内包富勒烯中内包金属可选自过渡金属或稀土金属，包括但不限于钆、镧等金属元素。

在根据本发明的复合胶原纤维的一个实施方式中，水溶性富勒烯可以为内包金属的富勒烯醇GdC82(OH)22以及空心富勒烯醇C60(OH)30。

在根据本发明的复合胶原纤维的一个实施方式中，胶原蛋白可选自I型胶原蛋白，包括但不限于鼠尾胶原蛋白等。

本发明的另一个方面提供了一种复合胶原纤维的制备方法，将水溶性富勒烯制备成水溶液，将胶原蛋白溶于pH为1～2的酸性溶液，然后将所得水溶液与酸性溶液混合，调节所得混合溶液的pH值为7～8，胶原蛋白在水溶性富勒烯存在下聚合形成所述复合胶原纤维。

在根据本发明的制备方法的一个实施方式中，水溶液与酸性溶液以1:1～10的体积比在-5～0℃下混合形成混合溶液。

在根据本发明的制备方法的一个实施方式中，水溶性富勒烯在水溶液中的浓度为0.01～100nM/L。

在根据本发明的制备方法的一个实施方式中，酸性溶液可以选自乙酸或盐酸溶液，胶原蛋白在酸性溶液中的浓度可以为1～6mg/mL。

在根据本发明的制备方法的一个实施方式中，聚合过程的温度为10～30℃。

在根据本发明的制备方法的一个实施方式中，聚合过程的时间可以为30～100分钟；优选为40～60分钟。

在根据本发明的制备方法的一个实施方式中，还可以向混合溶液中加入缓冲液使胶原蛋白的聚合环境更加接近体内聚合环境，如DMEM培养基缓冲液、磷酸盐缓冲液等，缓冲液的pH值可以为7.0～7.4。

实施例复合胶原纤维的制备

（1）配置DMEM高糖培养基缓冲液（标准型），pH值约为7.2，用孔径为0.22μm的滤膜过滤后备用；

（2）称取富勒烯，加水配置成不同浓度的水溶液；

（3）取I型胶原蛋白鼠尾胶（分子量138911Da），溶于0.02N乙酸溶液中，所得溶液中的胶原蛋白浓度为4mg/mL；

（4）将DMEM培养基缓冲液、胶原蛋白溶液和富勒烯水溶液在0℃下按照1:5:1的体积比混合；

（5）向步骤（4）所得混合溶液中加入0.34N的NaOH溶液调节pH值为7.5；

（6）将步骤（5）所得混合溶液在室温（约25℃）下静置聚合。

取内包金属的富勒烯醇GdC82(OH)22以及空心富勒烯醇C60(OH)30，在不同浓度下按照前述操作与胶原蛋白聚合形成胶原纤维，然后进行性能测试，并选取未添加富勒烯醇的胶原纤维作为对照组。

以下测试方法所使用的试剂如无特别说明均为常规市售试剂，所使用的操作如无特别说明均为本领域常规操作，其中所述的溶液浓度如无特别说明均表示体积浓度。

1、按照前述实施例的方法将得到的混合溶液静置在水平台上，室温（25℃）聚合30分钟。用2%的戊二醛PBS溶液固定30分钟，然后用双蒸水（ddH2O）洗三次，每次10分钟。依次用30%、50%、70%、90%的乙醇水溶液分别脱水15分钟，100%乙醇溶液脱水2次，每次15分钟。用30%、50%、70%、90%的六甲基二硅胺（HMDS）的乙醇溶液分别脱醇10分钟，100%六甲基二硅胺（HMDS）脱醇2次，每次15分钟。在室温下自然干燥，然后进行观测。

图1a-1c分别为所得胶原纤维的同倍数扫描电镜图像，图1a为对照组胶原纤维，较为致密、平滑，直径较大，图1b和1c的复合胶原纤维则更加疏松，纤维直径更细、长度更短。

图2a-2c分别为所得胶原纤维的同倍数原子力显微镜图像图像，从图中可知，对照组胶原纤维致密、平滑，直径较大，本发明的复合胶原纤维则更加疏松，纤维直径更细、长度更短。

由此可知，本发明的复合胶原纤维在硬度、强度必然相对于对照组胶原纤维有所降低，吸水性、粘附性增强，更加适用作医用材料。

2、浊度

按照前述实施例的方法将得到的混合溶液静置在水平台上，室温（25℃）聚合，测定所得聚合物吸光度，2秒测一次，获得浊度曲线。如图3所示，可以看出，在相同聚合时间下，加入富勒烯醇的胶原纤维吸光度低于对照组胶原纤维，且随着富勒烯醇浓度的增大，吸光度下降越明显，说明大纤维的数量减少越明显，所得纤维更加疏松，力学性能降低越明显。

由此可见，对于本领域而言，可通过调整不同的水溶性富勒烯浓度来调整所得聚合纤维的力学性能，使其用于多种应用领域。

3、硬度

测试仪器为流变仪（Physica MCR301），按照聚合胶原纤维常规测试方法，先把胶原蛋白聚合得到的水凝胶打到载物台上面，然后将用于剪切的轮片向下压，将水凝胶夹在中间，40min以后，待水凝胶凝固，使轮片来回旋转剪切来测量水凝胶的粘弹性，再根据以下公式换算得出硬度。

硬度

G^{*} = \sqrt{G^{, 2} + G^{,, 2}}

其中，G’表示粘性，G”表示弹性。

如图4所示，可以看出，在相同聚合时间下，加入富勒烯醇的胶原纤维硬度低于对照组胶原纤维，且随着富勒烯醇浓度的增大，硬度下降越明显，说明所得纤维更加疏松，力学性能降低明显。

由以上性能测试结果可知，本发明提供的复合胶原纤维力学性能有明显下降，因此可用作敷料、支架等医用材料。

虽然为了说明本发明，已经公开了本发明的优选实施方案，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离权利要求书所限定的本发明构思和范围的情况下，可以对本发明做出各种修改、添加和替换。

Claims

1.一种复合胶原纤维，其由胶原蛋白在水溶性富勒烯存在下聚合而成。

2.根据权利要求1所述的复合胶原纤维，其中，所述水溶性富勒烯选自表面修饰或未修饰的空心富勒烯或金属内包富勒烯。

3.根据权利要求2所述的复合胶原纤维，其中，所述表面修饰为表面进行羟基化、羧基化或氨基化修饰。

4.根据权利要求2所述的复合胶原纤维，其中，所述金属内包富勒烯中的金属选自过渡金属或稀土金属。

5.根据权利要求1-4任一项所述的复合胶原纤维，其中，所述胶原蛋白选自I型胶原蛋白。

6.权利要求1-5任一项所述复合胶原纤维的制备方法，将水溶性富勒烯制备成水溶液，将胶原蛋白溶于pH为1～2的酸性溶液，然后将所述水溶液与酸性溶液混合，调节所得混合溶液的pH值为7～8，所述胶原蛋白在所述水溶性富勒烯存在下聚合形成所述复合胶原纤维。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其中，所述水溶液与所述酸性溶液以1:1～10的体积比在-5～0℃下混合。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其中，所述水溶性富勒烯在水溶液中的浓度为0.01～100nM/L。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其中，所述酸性溶液选自乙酸或盐酸溶液，所述胶原蛋白在酸性溶液中的浓度为1～6mg/mL。

10.根据权利要求6-9任一项所述的制备方法，其中，所述聚合的温度为10～30℃。