CN104017374B - 一种丝蛋白纳米微纤可注射水凝胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于天然高分子材料技术领域，具体为一种丝蛋白纳米微纤可注射水凝胶及其制备方法。本发明通过简单调节丝蛋白纳米微纤溶液的浓度(如离心分离，聚乙二醇水溶液反向透析，真空干燥烘箱浓缩和旋转蒸发浓缩等)，即可制备得到固含量为0.2-4%的可注射性水凝胶。本发明的制备过程简单，绿色温和，节能高效，成本低廉，且制备得到的可注射水凝胶能够进一步与其他材料复合制备功能复合材料，适用于日常及医用材料领域。
Description
技术领域
本发明属于天然高分子材料技术领域，具体涉及一种生物医用的触变性可注射水凝胶及其制备方法。
背景技术
水凝胶是可以保持大量水或生物体液的疏水性三维网络，对氧气、营养物质、代谢废物、药物分子及信号因子等有较强的通透性，其中可注射水凝胶作为一种可避免外科手术风险和降低患者不适然的生物医用材料受到了广泛的研究。水凝胶与细胞外基质（extracellularmatrix,ECM）在结构和功能上相似，能够为受损组织再生过程中的细胞增殖提供平台和代谢物的运输通道。因此水凝胶细胞载体十分适用于组织修复和再生治疗。可注射水凝胶可以用于填补和修复形状不规则的受损组织，仅需在注射前进行简单的共混就可以将种子细胞或药物负载到凝胶中。然而原位凝胶化的可注射水凝胶由于采用将液态前驱体注入受损组织形成凝胶，存在着液态前驱体渗漏到周围组织产生炎症的风险，并且体内复杂的生理环境（如温度、离子等）可能会影响凝胶的形成与形状保持。触变性水凝胶则可以克服上述缺点。触变性水凝胶是预先在体外形成凝胶，这种凝胶具有剪切变稀和自修复的性质，从而具有可注射性，当剪切力撤除后又会恢复凝胶状态。
可注射水凝胶主要有物理交联和化学交联两种制备方法，其中化学交联过程通常需要引入有毒化学试剂和繁琐的反应步骤，物理凝胶虽然可以避免有毒试剂的引入，但凝胶的力学强度等可控性差，并且这两种可注射水凝胶商业化使用都受限于生产成本。
丝蛋白由于其优秀的力学性质和突出的生物相容性而被广泛用于生物医用材料领域。但丝蛋白制备水凝胶往往需要比较激烈的非生理条件，如低pH、高温、剪切、超声及乙醇处理等，限制了其临床使用。本发明制备了一种力学强度可控的丝蛋白纳米微纤可注射水凝胶，其制备方法绿色温和、成本低廉，并取得了良好的细胞负载效果。
发明内容
本发明的目的是针对现有的丝蛋白可注射水凝胶的非生理制备条件和力学强度不易控等缺点，提供一种负载细胞的触变性可注射水凝胶及其制备方法，该水凝胶制备方法工艺简单、环保、成本低，所制备的水凝胶具有良好的生物相容，有望进行大规模的商业化生产。
本发明提供的负载细胞的触变性可注射水凝胶，是一种丝蛋白纳米微纤可注射水凝胶，以丝蛋白纳米微纤溶液为原料经浓缩制备得到，其固含量为0.2-4%，凝胶储能模量为200-40000Pa，并且具有强触变性，耐受0-10次注射后储能模量的回复率可保持在85%以上。
本发明所述的丝蛋白纳米微纤可注射水凝胶，其制备方法如下：对丝蛋白纳米微纤溶液进行浓缩，浓缩方法有离心分离、聚乙二醇水溶液反向透析、真空干燥烘箱浓缩和旋转蒸发浓缩等（但不仅限于这四种方法），具体步骤为：
（1）配置质量分数为0.05-0.2%的丝蛋白纳米微纤溶液（可按照公开号为CN103757729A的发明专利所述的方法进行）；
（2）将步骤（1）溶液中加入氯化钠溶液，使得混合溶液中的氯化钠浓度为10-250mM,采用4000-20000转/分的转速离心4-40分钟，制备得到固含量为0.2-4%的水凝胶；或者
采用分子量为2000-100000道尔顿的聚乙二醇配置质量分数为2-30%的溶液，对步骤（1）溶液进行2-24小时的反向透析，制备得到固含量为0.2-4%的水凝胶；或者
将步骤（1）溶液放入真空干燥烘箱进行浓缩，温度范围为20-80℃，浓缩时间2-24小时，制备得到固含量为0.2-4%的水凝胶；或者
将步骤（1）溶液采用旋转蒸发仪进行浓缩，温度范围为20-80℃，旋蒸时间为0.1-3小时，制备得到固含量为0.2-4%的水凝胶。
本发明具有以下优点：
（1）本发明所述水凝胶的原料为成本低廉并且经过美国食品药品监督管理局(FoodandDrugAdministration,FDA)认证的丝蛋白，因而所获得的水凝胶具有良好的生物相容性和生物降解性。
（2）本发明所述水凝胶具有极强的触变性，在进行多次连续注射后仍可以长时间保持凝胶态。
（3）本发明所述水凝胶的力学强度可控，仅需通过改变浓缩条件即可制备得到一系列不同力学强度的水凝胶，进而满足不同医疗领域的使用要求。
（4）本发明所述水凝胶在结构组成和功能上与细胞外基质相似，可以均匀地负载各种细胞，同时可对各种细胞进行高活性三维培养。
（5）本发明所述水凝胶的制备方法绿色环保、成本低廉、易于实现，有望用于商业大规模化生产。
本发明的丝蛋白纳米微纤水凝胶可广泛用于生物医学材料、纳米功能材料中。
附图说明
图1为丝蛋白纳米微纤水凝胶触变性的流变学表征（剪切-回复）。
图2为丝蛋白纳米微纤水凝胶负载L929细胞的表征（激光共聚焦显微镜）。
具体实施方式
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
配置浓度为250mM的氯化钠水溶液，移取0.5ml上述氯化钠水溶液加入到5.5ml的质量分数为0.14%的丝蛋白纳米微纤溶液中并均匀混合，于室温下以8000转/分转速离心10分钟，最终得到丝蛋白质量分数为0.76%的水凝胶。对该水凝胶进行剪切-回复测试，发现其可耐受2000%的应变，其储能模量可在60秒内达到90%的回复率，并且可以耐受5次连续剪切。同时该凝胶可以均匀负载细胞，且在3天的培养期内未表现出细胞毒性。
实施例2
配置浓度为1250mM的氯化钠水溶液，移取0.5ml上述氯化钠水溶液加入到5.5ml的质量分数为0.07%的丝蛋白纳米微纤溶液中并均匀混合，于室温下以8000转/分转速离心25分钟，最终得到丝蛋白质量分数为2%的水凝胶。对该水凝胶进行剪切-回复测试，发现其可耐受5000%的应变，储能模量可在40秒内达到95%的回复率，并且可以耐受6次连续剪切。同时该凝胶可以均匀负载细胞，且在3天的培养期内未表现出细胞毒性。
实施例3
将分子量为20000道尔顿的聚乙二醇配制成质量分数为8%的水溶液。移取200ml质量分数为0.1%的丝蛋白纳米微纤溶液封装在截留分子量为14000道尔顿的透析袋中，将透析袋放入配置好的聚乙二醇水溶液中，在室温下进行7小时的反向透析，最终得到丝蛋白质量分数为0.8%的水凝胶。对该水凝胶进行剪切-回复测试，发现其可耐受3000%的应变，并且储能模量可在70秒内达到91%的回复率，但是只能耐受1次剪切。同时该凝胶可以均匀负载细胞，且在3天的培养期内未表现出细胞毒性。
实施例4
将分子量为20000道尔顿的聚乙二醇配制成质量分数为12%的水溶液。移取200ml质量分数为0.1%的丝蛋白纳米微纤溶液封装在截留分子量为14000道尔顿的透析袋中，将透析袋放入配置好的聚乙二醇水溶液中，在室温下进行8小时的反向透析，最终得到丝蛋白质量分数为2.2%的水凝胶。对该水凝胶进行剪切-回复测试，发现其可耐受5000%的应变，储能模量可在70秒内达到91%的回复率，并且可以耐受2次连续的剪切。同时该凝胶可以均匀负载细胞，且在3天的培养期内未表现出细胞毒性。
实施例5
移取200ml质量分数为0.18%的丝蛋白纳米微纤溶液封装在截留分子量为14000道尔顿的透析袋中，将透析袋悬挂在真空干燥烘箱中，并在烘箱中放入2kg干燥硅胶颗粒，抽真空后室温保持12小时，最终得到丝蛋白质量分数为1.5%的水凝胶。对该水凝胶进行剪切-回复测试，发现其可耐受5000%的应变，储能模量可在60秒内达到89%的回复率，可以承受至少3次的剪切。同时该凝胶可以均匀负载细胞，且在3天的培养期内未表现出细胞毒性。
实施例6
移取100ml质量分数为0.16%的丝蛋白纳米微纤溶液，采用旋转蒸发仪于45℃水域加热条件下进行0.5小时的浓缩，最终得到丝蛋白质量分数为1.7%的水凝胶。对该水凝胶进行剪切-回复测试，发现其可耐受3000%的应变，储能模量可在40秒内达到92%的回复率。同时该凝胶可以均匀负载细胞，且在3天的培养期内未表现出细胞毒性。
Claims (2)
1.一种丝蛋白纳米微纤可注射水凝胶的制备方法，其特征在于，该丝蛋白纳米微纤可注射水凝胶以丝蛋白纳米微纤溶液为原料经浓缩制备得到，其固含量为0.2-4%，凝胶储能模量为200-40000Pa，并且具有强触变性，耐受0-10次注射后储能模量的回复率可保持在85%以上；
具体步骤为：
（1）配置质量分数为0.05-0.2%的丝蛋白纳米微纤溶液；
（2）将步骤（1）溶液中加入氯化钠溶液，使得混合溶液中的氯化钠浓度为10-250mM,采用4000-20000转/分的转速离心4-40分钟，制备得到固含量为0.2-4%的水凝胶；或者
采用分子量为2000-100000道尔顿的聚乙二醇配置质量分数为2-30%的溶液，对步骤（1）溶液进行2-24小时的反向透析，制备得到固含量为0.2-4%的水凝胶；或者
将步骤（1）溶液放入真空干燥烘箱进行浓缩，温度范围为20-80℃，浓缩时间2-24小时，制备得到固含量为0.2-4%的水凝胶；或者
将步骤（1）溶液采用旋转蒸发仪进行浓缩，温度范围为20-80℃，旋蒸时间为0.1-3小时，制备得到固含量为0.2-4%的水凝胶。
2.采用权利要求1所述制备方法制备获得的丝蛋白纳米微纤可注射水凝胶在生物医学材料、纳米功能材料中的应用。
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