CN104927003B - 一种具有良好生物相容性和溶胀性能的大豆蛋白基高分子凝胶的制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种大豆蛋白基高分子凝胶的制备，属于生物技术领域。本发明以具有生物相容性和生物可降解性的天然高分子大豆分离蛋白、功能性单体甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯为原料，以尿素溶液为分散液，通过交联聚合得到具有pH、温度、离子强度（盐）等多敏感性，同时具有良好的生物相容性和溶胀和退溶胀性能的大豆蛋白基高分子凝胶。体外药物释放性能测试表明，该高分子凝胶对模型药物尤其是小分子模型药物具有较好的体内缓释效果。因此可作为药物载体应用在药物控制释放中。

Description

一种具有良好生物相容性和溶胀性能的大豆蛋白基高分子凝 胶的制备和应用
技术领域
本发明属于生物技术领域，涉及一种大豆蛋白基凝胶的制备方法，尤其涉及一种具有良好生物相容性和溶胀性能的大豆蛋白基高分子凝胶的制备；本发明同时还涉及该大豆蛋白基高分子凝胶作为药物载体的应用。
背景技术
天然高分子资源丰富、可再生、无毒、生物相容性好且可降解等优点在各领域得到广泛的应用。作为典型天然高分子，大豆分离蛋白是一种多功能蛋白质，由各种氨基酸通过肽键连接而成的多肽链，含有多种活性侧基如氨基、羧基、羟基和巯基，能和许多物质发生化学反应，它有许多重要的生理学和药理学功能。同时由于具有安全无毒、无免疫原性、可生物降解、生物相容性好等优点，在药物载体和组织工程中通常作为载体和原材料。
聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯（PDMAEMA）凝胶作为一种新型的智能水凝胶，属于阳离子聚合物，其分子结构单元中同时存在亲水性的叔胺基、羰基和疏水性的烷基基团，两类基团在空间结构上互相匹配水凝胶在较低的pH时（pH 3～5）处于溶胀态，作为缓释材料该凝胶可在一些特殊条件下得到应用，也广泛应用于水处理、造纸、涂料、油田化学品、粘合剂、纤维助剂和塑料橡胶改性等领域。然而，其作为药物载体使用时，在生物相容性和生物可降解性上具有一定的缺陷。
发明内容
本发明的目的利用大豆分离蛋白与聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯的特性，通过将交联聚合，得到一种具有良好生物相容性和溶胀性能的大豆蛋白基高分子凝胶；
本发明的另一目的是提供该大豆蛋白基高分子凝胶的性能和作为药物载体在药物控制释放中的应用。
一、本发明大豆蛋白基高分子凝胶的制备方法：
本发明大豆蛋白基高分子凝胶的制备，是以大豆分离蛋白、甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯为原料，以尿素溶液为分散液，通过交联聚合而得。其具体制备工艺如下：
将0.1 ~2.0 g 大豆分离蛋白粉分散于1 ~15 mL分散液中，加入0.1~5.0 g 甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯，0.05 ~1.5 g 交联剂，混合液在惰性气体保护下升温至30 ~ 90℃，再加入0.005 ~ 0.1g 引发剂搅拌均匀；然后于30 ~90℃静置1 ~24 小时，得到水凝胶；依次用乙醇、水浸泡、洗涤后冷冻干燥，得到大豆蛋白基高分子凝胶。
其中，大豆分离蛋白粉的粒度为50~200目；分散液为浓度0.8~10 mol/L的尿素溶液；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺；引发剂为过硫酸铵或过硫酸铵钾；惰性气体为氮气、氩气或二氧化碳气体。
二、大豆蛋白基高分子凝胶结构表征
1、宏观形貌
图1为大豆蛋白基高分子凝胶的宏观形貌，从图1可以看出，本发明制备的大豆蛋白基多敏感性高分子凝胶为疏松的固体材料。
2、红外图谱
图2为大豆蛋白基高分子凝胶的红外图谱。图2中，在2950cm-1附近的峰为C-H的伸缩振动，在1722 cm-1及1149 cm-1处出现了酯基的C=O伸缩振动和C=O弯曲振动, 在1401 cm-1附近出现叔胺基吸收峰。同时在1686 cm-1、1540 cm-1、1215 cm-1附近出现了大豆分离蛋白的酰胺I、II、III带的特征吸收峰，说明大豆分离蛋白与甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯有效复合。
3、热重分析
图3为大豆蛋白基高分子凝胶的热重曲线TG（测试条件：N2保护；升温范围：25 ~800℃；升温速度：10℃/min）。结果表明，大豆蛋白基多敏感性高分子凝胶主要的失重区间为在200~ 400℃，与原料大豆分离蛋白相比，其热稳定性有了明显的提高。
4、扫描电镜图
图4为大豆蛋白基高分子凝胶的扫描电镜图。通过扫描电镜可以看出大豆蛋白基多敏感性高分子凝胶的孔径为10~50 μm，孔径大小不一，可以很好的将不同分子量的药物负载于孔结构中。
三、大豆蛋白基高分子凝胶的性能测试
1、溶胀行为
为了评价大豆蛋白基高分子凝胶作为生物材料的适合性，测试了在（37℃）下，凝胶在不同的模拟生物溶液中的溶胀率。结果表明：大豆蛋白基多敏感性高分子凝胶在二水中0.9%生理盐水模拟生物环境的溶胀度均大于聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯凝胶的溶胀度，说明，大豆分离蛋白的加入可一定程度上提高凝胶的溶胀性能。另外，测试了体温下（37℃）大豆蛋白基多敏感性高分子凝胶在水中的再次溶胀行为，结果如图5所示：第一次吸水并干燥后的凝胶吸收能力为初次在去二次水中平衡溶胀率的79.0%，表明大豆蛋白基环境响应性凝胶在二次水中可以再次溶胀，进行重复利用。
2、温度、pH敏感性、盐敏感性
为了评价凝胶对温度的敏感性，测试凝胶在不同温度下的溶胀率（图6）。发现随着温度的升高，大豆蛋白基多敏感性高分子凝胶的溶胀度降低，这是由于随着温度的升高，N,N-二甲氨基乙基疏水基团中的N原子与氢键作用减弱，疏水基团的作用增强，导致水凝胶体积收缩，溶胀度降低。
为了评价凝胶对pH值的敏感性，测定不同pH值溶液中的溶胀率变化，研究凝胶的pH响应性（图7）。结果表明：在酸性较强环境中凝胶溶胀性能高，随着pH升高，其溶胀性能逐渐降低。
为了评价凝胶对离子强度的敏感性，测定不同浓度盐溶液中溶胀率变化，研究凝胶的离子强度响应性（图8）。结果表明，凝胶的溶胀度随盐浓度的增加而降低。
3、体外药物释放性能
以上述制备的多敏感性高分子凝胶为药物载体，选用小分子抗癌药物（盐酸阿霉素），考察了多敏感性高分子凝胶的体外药物释放性能。在人体温度（37℃）下，考察了不同pH值的环境（即胃液（pH=1.2）、血液（pH=7.4））多敏感性高分子凝胶的释放性能，结果如图9所示，在酸性条件下（pH=1.2）释放速度较快，60小时最大释放率为67.8%，之后释放趋于平缓；中性条件下（pH=7.4），药物释放速度较慢，60 h后累积释放率可达46.3%。这说明在中性条件下（血液环境）释放速度慢，而酸性环境中（胃液）释放速度最快。因此凝胶有较好的缓释性能，在医学上可降低给药次数。另外实验中还考察了其它温度（25℃、37℃、42℃）下，环境pH值对凝胶的释放性能，结果如图10所示，在40℃下，盐酸阿霉素的累计释放率较高，最高可达69.6%；而在25℃下，药物的释放较为平稳，最高累计释放为64.0%。然而，当60℃，药物的累计释放最高可达84.1%。这说明凝胶具有温度敏感性。
综上所述，本发明制备的大豆蛋白基高分子凝胶具有pH、温度、离子强度（盐）等多敏感性，同时具有良好的生物相容性和溶胀和退溶胀性能，对模型药物尤其是小分子模型药物具有较好的体内缓释效果。因此，可作为药物载体应用在药物控制释放中。
附图说明
图1为大豆蛋白基多敏感高分子凝胶的宏观形貌。
图2为大豆蛋白基多敏感高分子凝胶的红外光谱图。
图3为大豆蛋白基多敏感高分子凝胶的热重分析图。
图4为大豆蛋白基多敏感高分子凝胶的扫描电镜图。
图5为大豆蛋白基多敏感高分子凝胶在水中的再次溶胀动力学（37℃）。
图6为大豆蛋白基多敏感高分子凝胶在不同温度下的溶胀率。
图7为大豆蛋白基多敏感高分子凝胶在不同pH值下的溶胀率。
图8为大豆蛋白基多敏感高分子凝胶在不同浓度NaCl溶液下的溶胀率。
图9为不同酸度条件凝胶对抗癌药物的体外释放性能（37℃）。
图10为不同温度条件下凝胶对抗癌药物的体外释放性能（pH=7.4）。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明大豆蛋白基高分子微孔凝胶的制备和性能作进一步说明。
实施例1：取粒度50 ~ 200目的大豆分离蛋白粉0.1 g，分散于1 mL尿素溶液中（尿素溶液的浓度为 0.8 mol/L）；加入0.1 g 甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯，0.05 g 交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺，混合后放入三颈烧瓶中， 在氮气保护下升温至90℃，再加入0.005 g引发剂过硫酸铵，搅拌均匀后，将反应液倒入反应瓶，置于水浴锅，于90℃静置1小时，得到水凝胶；将水凝胶置于乙醇、水中浸泡、洗涤，冷冻干燥，得到大豆蛋白基高分子凝胶。该凝胶对小分子抗癌药物盐酸阿霉素（37℃）的累及释放率为67%。
实施例2：取粒度50 ~ 200目的大豆分离蛋白粉0.5 g，分散于5 mL尿素溶液中（尿素溶液的浓度为 5 mol/L）；加入0. 5 g 甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯，0.1 g 交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺，混合后放入三颈烧瓶中，在氮气保护下升温至80℃，再加入0.01g 引发剂过硫酸铵，搅拌搅拌均匀后，将反应液倒入反应瓶，置于水浴锅，于80℃静置5 小时，得到水凝胶；将水凝胶置于乙醇、水中浸泡、洗涤，冷冻干燥，得到大豆蛋白基高分子凝胶。该凝胶对小分子抗癌药物盐酸阿霉素（37℃）的累及释放率为78%。
实施例3：取粒度50 ~ 200目的大豆分离蛋白粉1.0 g，分散于10 mL尿素溶液中（尿素溶液的浓度为 8 mol/L）；加入1.0 g 甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯，0.5g 交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺，混合后放入三颈烧瓶中， 在氮气保护下升温至60℃，再加入0.05 g 引发剂过硫酸铵钾，搅拌均匀后，将反应液倒入反应瓶，置于水浴锅，于60℃静置10 小时，得到水凝胶；将水凝胶置于乙醇、水中浸泡、洗涤，冷冻干燥，得到大豆蛋白基高分子凝胶。该凝胶对小分子抗癌药物盐酸阿霉素（37℃）的累及释放率为73%。
实施例4：取粒度50 ~ 200目的大豆分离蛋白粉1.5 g，分散于12mL尿素溶液中（尿素溶液的浓度为 1.5 mol/L）；加入3.5 g 甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯，1.0 g 交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺，混合后放入三颈烧瓶中， 在氮气保护下升温至45℃，再加入0.08g 引发剂过硫酸铵，搅拌均匀后，将反应液倒入反应瓶，置于水浴锅，于45℃静置20 小时，得到水凝胶；将水凝胶置于乙醇、水中浸泡、洗涤，冷冻干燥，得到大豆蛋白基高分子凝胶。该凝胶对小分子抗癌药物盐酸阿霉素（37℃）的累及释放率为64%。
实施例5：取粒度50 ~ 200目的大豆分离蛋白粉2.0 g，分散于15 mL尿素溶液中（尿素溶液的浓度为 10 mol/L）；加入5.0 g 甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯， 1.5 g 交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺，混合后放入三颈烧瓶中， 在氮气保护下升温至30℃，再加入0.1g引发剂过硫酸铵，搅拌均匀后，将反应液倒入反应瓶，置于水浴锅，于30℃静置24 小时，得到水凝胶；将水凝胶置于乙醇、水中浸泡、洗涤，冷冻干燥，得到大豆蛋白基高分子凝胶。该凝胶对小分子抗癌药物盐酸阿霉素（37℃）的累及释放率为58%。

Claims (7)

1.一种具有良好生物相容性和溶胀性能的大豆蛋白基高分子凝胶的制备方法，是以大豆分离蛋白、甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯为原料，以尿素溶液为分散液，通过交联聚合而得；具体制备工艺为：将0.1 ~2.0 g 大豆分离蛋白粉分散于1 ~15 mL分散液中，加入0.1~5.0 g 甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯，0.05 ~1.5 g 交联剂，混合液在惰性气体保护下升温至30 ~ 90℃，再加入0.005 ~ 0.1g 引发剂搅拌均匀；然后于30 ~90℃静置1 ~24 小时，得到水凝胶；依次用乙醇、水浸泡、洗涤后冷冻干燥，得到大豆蛋白基高分子凝胶。
2.如权利要求1所述具有良好生物相容性和溶胀性能的大豆蛋白基高分子凝胶的制备方法，其特征在于：所述大豆分离蛋白粉的粒度为50~200目。
3.如权利要求1所述具有良好生物相容性和溶胀性能的大豆蛋白基高分子凝胶的制备方法，其特征在于：所述分散液为浓度0.8~10 mol/L的尿素溶液。
4.如权利要求1所述具有良好生物相容性和溶胀性能的大豆蛋白基高分子凝胶的制备方法，其特征在于：所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺。
5.如权利要求1所述具有良好生物相容性和溶胀性能的大豆蛋白基高分子凝胶的制备方法，其特征在于：所述引发剂为过硫酸铵或过硫酸铵钾。
6.如权利要求1所述具有良好生物相容性和溶胀性能的大豆蛋白基高分子凝胶的制备方法，其特征在于：所述惰性气体为氮气、氩气或二氧化碳气体。
7.如权利要求1所述制备方法制备的具有良好生物相容性和溶胀性能的大豆蛋白基高分子凝胶作为药物载体的应用。
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