CN105218835A - 一种角蛋白基双敏感高分子凝胶的制备及作为药物载体的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种角蛋白基双敏感高分子凝胶的制备及应用，属于复合材料领域与生物医用材料领域。本发明以羽毛角蛋白为生物高分子基体，采用分步聚合的方式，依次将温敏性单体和酸敏性单体原位聚合在羽毛角蛋白基体上，得到温度、pH双敏感高分子凝胶。电镜扫描显示，该高分子凝胶表面具有明显的网络结构，并且网状结构上还有多层大小不均一的孔状结构，这有利于不同分子量药物的负载。体外药物释放性能实验表明，该高分子凝胶对药物分子可实现控制释放，因此可作为药物载体应用于生物医学领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种角蛋白基高分子复合材料的制备，尤其涉及一种角蛋白/聚(N-异丙基丙烯酰胺)/聚衣康酸复合双敏感凝胶的制备；本发明同时还涉及该角蛋白/聚(N-异丙基丙烯酰胺)/聚衣康酸复合双敏感高分子凝胶作为药物载体的应用，属于复合材料领域与生物医用材料领域。
背景技术
随着科技的进步，药物控制释放体系的研究已引起人们越来越广泛的重视。通过高分子药物控制释放体系，使药物在载体系统中达到时间或空间上的控制释放，保持药物在血液中对疾病治疗所需的最适浓度，避免常规给药中，血药浓度偏高时中毒、低时治疗无效的问题。作为药物载体的生物材料，应当具有很好的生物相容性和降解性能。目前用于医药领域具有生物相容性和可生物降解的的高分子载体材料主要以合成的聚合物体系和天然大分子体系为主。
角蛋白是外胚层细胞的结构蛋白，广泛存在于生物体的组织结构中，包括动物皮肤以及皮肤的衍生物：发、毛、鳞、羽、甲、蹄、角、爪、喙等。角蛋白作为一种天然高分子，不仅来源丰富、价格低廉，且具有可降解、生物相容、热稳定性等优良性能。角蛋白已被广泛应用于饲料和纺织业中，也有很多利用角蛋白开发表面活性剂、絮凝剂、氨基酸产品、系列保健品和化妆品等的研究。角蛋白链之间的二硫桥（-S-S-）使其具有刚性结构，也使得角蛋白的消化与降解相当困难。因此，未经改性的角蛋白难以广泛使用。近年来的研究发现，通过改性、复合等方法，可将角蛋白作为生物材料使用。
发明内容
本发明目的是提供一种角蛋白基双敏感高分子凝胶及制备方法；
本发明另一目的是提供该角蛋白基双敏感高分子凝胶作为药物载体在药物控制释放中的应用。
一、角蛋白基双敏感高分子凝胶的制备
（1）角蛋白温敏性高分子凝胶的制备：惰性气体保护下，将0.1～2g羽毛角蛋白分散于5～80mL尿素溶液或稀碱溶液中，加入4～100mg还原剂，升温至65℃，搅拌20～60min；加入0.2～4g温敏性单体、50～700mg交联剂并混合均匀；加入30～300mg引发剂I，搅拌5～30min；再加入30～300mg引发剂II，密封后于40～70℃水浴反应6～36h，产物分别用乙醇、蒸馏水洗涤，除去杂质，冷冻干燥，得到角蛋白温敏性高分子凝胶—角蛋白/聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶。
羽毛角蛋白从废弃家禽羽毛中提取，具体提取工艺及性能见专利ZL200810150653.2。
所述尿素溶液或稀碱溶液的（如氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液等）浓度0.8～8mol/L。
所述温敏性单体为N-异丙基丙烯酰胺或N,N-二乙基丙烯酰胺。
所述还原剂采用二硫苏糖醇或巯基乙醇。
所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺。
所述引发剂I为过硫酸铵或过硫酸钾，引发剂II为亚硫酸氢钠。
（2）角蛋白基双敏感高分子凝胶的合成：取上述制备的角蛋白温敏性高分子凝胶0.2～3g，浸于5～50mL含有1.0～10g酸敏性单体和50～700mg交联剂的溶液中，使角蛋白温敏性高分子凝胶充分溶胀；然后在惰性气体保护下，加入0.1～1g引发剂III，密封后于40～80℃的水浴中反应6～36h，制得角蛋白基双敏感高分子水凝胶；分别用乙醇、蒸馏水洗涤，除去未反应的单体和杂质，冷冻干燥，得角蛋白基双敏感高分子干凝胶—角蛋白/聚(N-异丙基丙烯酰胺)/聚衣康酸双敏感水凝胶。
所述酸敏性单体为衣康酸；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钾；惰性气体为氮气、氩气或二氧化碳气体。
二、角蛋白复合双敏感聚合物凝胶的结构表征
1、宏观形貌
图1为本发明制备的角蛋白基双敏感高分子凝胶冷冻干燥后的宏观形貌。从图1可以看出，该双敏感高分子凝胶为不均一的多孔结构。
2、红外图谱
图2为角蛋白基双敏感高分子凝胶冷冻干燥后的红外吸收光谱图。从图2中可知，在1650cm-1、1528cm-1、1232cm-1附近出现了蛋白的特征吸收峰（酰胺I、II、III带）；在582cm-1处为角蛋白中二硫键（S-S）的伸缩振动吸收峰；在1700cm-1附近出现了聚衣康酸中C=O的伸缩振动吸收峰。说明羽毛角蛋白与衣康酸有效复合。
3、热重分析
图3为角蛋白基双敏感高分子凝胶冷冻干燥后的热重曲线。结果表明，角蛋白基双敏感高分子凝胶的起始分解温度为95℃，外延起始温度为160℃，外延终止温度在420℃，失重斜率最大点温度是200℃。与原料角蛋白相比，角蛋白/聚(N-异丙基丙烯酰胺)/聚衣康酸双敏感水凝胶的热稳定性有了明显提高。
4、扫描电镜图
图4为角蛋白/聚(N-异丙基丙烯酰胺)/聚衣康酸双敏感水凝胶的扫描电镜图。通过扫描电镜可以看出，角蛋白/聚(N-异丙基丙烯酰胺)/聚衣康酸双敏感水凝胶表面有明显的网络结构，并且网状结构上还有多层大小不均一的孔状结构。因此，角蛋白/聚(N-异丙基丙烯酰胺)/聚衣康酸形成的互穿网络结构有利于不同分子量药物的负载。
三、角蛋白基双敏感聚合物凝胶的性能测试
1、溶胀行为
为了评价角蛋白/聚(N-异丙基丙烯酰胺)/聚衣康酸双敏感水凝胶作为生物材料的适用性，测试了体温（37℃）状态下，水凝胶在不同模拟生物液中的溶胀率。结果见图5，结果发现角蛋白/聚(N-异丙基丙烯酰胺)/聚衣康酸双敏感水凝胶在水中的溶胀度最大，而在生理盐水（Sal）中的溶胀率均最低。
另外，测试了体温（37℃）环境下，角蛋白/聚(N-异丙基丙烯酰胺)/聚衣康酸双敏感水凝胶在水中的再次溶胀性能。将在二次水中溶胀后再次干燥的角蛋白/聚(N-异丙基丙烯酰胺)/聚衣康酸双敏感水凝胶置于二次水中，观察其再溶胀行为，结果如图6所示。干燥后的角蛋白/聚(N-异丙基丙烯酰胺)/聚衣康酸双敏感水凝胶的吸水率为89.1%，水凝胶在二次水中再次溶胀，表明水凝胶可重复使用。
2、温度、pH敏感性
图7为复合双敏感水凝胶在不同温度下的溶胀率。图7的结果显示，平衡溶胀率在5℃时最低（23.6g/g），35℃时达最大值（39.1g/g）；高于35℃后溶胀率又逐渐降低。说明该复合水凝胶对温度具有一定的敏感性。
图8为复合双敏感水凝胶在不同pH值溶液中的溶胀率变化情况。图8的结果显示，平衡溶胀率在pH=1.2溶液中最低（13.2g/g），在pH=10.0时达到最大值（27.9g/g），在pH>10.0后溶胀率又逐渐降低，说明在强酸性或碱性溶液中，该复合水凝胶具有pH敏感性。
3、体外药物释放性能
以角蛋白/聚(N-异丙基丙烯酰胺)/聚衣康酸双敏感水凝胶为药物载体，选用小分子抗癌药物（盐酸阿霉素），在37℃（体温）下，考察不同pH值环境（胃液pH=1.2、肠液pH=8.4、血液pH=7.4）中，水凝胶的体外药物释放性能。结果如图9所示：酸性条件下（pH=1.2）药物释放速度较慢，16h时释放率为66.3%；弱碱性条件下（pH=8.4），16h时释放率达到81.1%；中性条件下（pH=7.4），药物释放速度最快，16h时释放率达到93.3%。
另外，实验中还考察了其它温度（25℃、42℃）下，不同pH值中凝胶对药物释放性能的影响，发现与37℃时规律一致。
综上所述，本发明以生物相容的天然高分子角蛋白为基体，将温敏性单体N-异丙基丙烯酰胺、酸敏感单体衣康酸进行分步聚合在高分子角蛋白基体上，得到具有温度和pH双重敏感性的角蛋白/聚(N-异丙基丙烯酰胺)/聚衣康酸水凝胶，该凝胶具有良好的溶胀和退溶胀性能，对小分子模型药物盐酸阿霉素具有缓释效果。进一步实验证明，本发明制备的角蛋白/聚(N-异丙基丙烯酰胺)/聚衣康酸水凝胶对大分子模型药物（牛血清白蛋白）也具有缓释效果。因此可作为药物载体应用于药物控制释放体系中。
附图说明
图1为角蛋白基双敏感凝胶的宏观形貌。
图2为角蛋白基双敏感凝胶的红外吸收光谱图。
图3为角蛋白基双敏感凝胶的热重曲线。
图4为角蛋白基双敏感凝胶的扫描电镜图。
图5为角蛋白基双敏感凝胶在不同模拟生物液中的溶胀率。
图6为角蛋白基双敏感凝胶在水中的再次溶胀性。
图7为角蛋白基双敏感凝胶在不同pH下的溶胀率。
图8为角蛋白基双敏感凝胶在不同温度下的溶胀率。
图9为角蛋白基双敏感凝胶在不同pH下对药物（盐酸阿霉素）的体外释放性能。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明角蛋白基双敏感凝胶的制备和药物释放性能作进一步说明。
实施例1
惰性气体保护下，将0.1g羽毛角蛋白加入5mL6mol/L的尿素溶液中，搅拌分散均匀；加入4mg二硫苏糖醇，升温至65℃，搅拌20min；加入0.2gN-异丙基丙烯酰胺，50mgN,N-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌混合均匀；再加入30mg过硫酸铵，搅拌10min；然后加入30mg亚硫酸氢钠，密封后于40℃水浴中反应10h，得角蛋白/聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶；水凝胶分别用乙醇、蒸馏水洗涤，除去杂质，冷冻干燥，得到角蛋白温敏性高分子凝胶。
取0.2g角蛋白温敏性高分子凝胶，浸入5mL含有1.0g衣康酸和50mgN,N-亚甲基双丙烯酰胺的溶液中，浸泡4h，使角蛋白温敏性高分子凝胶充分溶胀；惰性气体保护下，加入0.1g过硫酸铵并搅拌均匀，密封后于40℃水浴中反应8h，得角蛋白基双敏感水凝胶；分别用乙醇、蒸馏水洗涤，除去未反应单体和杂质，冷冻干燥，得到角蛋白基双敏感高分子凝胶。
该角蛋白基双敏感高分子凝胶在体温环境（37℃）下，对盐酸阿霉素的累积释放率为87.3%。
实施例2
惰性气体保护下，将0.5g羽毛角蛋白加入15mL8mol/L的尿素溶液中，搅拌分散均匀；加入20mg二硫苏糖醇，升温至65℃，搅拌40min；再加入1gN-异丙基丙烯酰胺、0.2gN,N-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌混合均匀；加入50mg过硫酸铵，搅拌30min；加入50mg亚硫酸氢钠，密封后于40℃水浴中反应24h，得角蛋白/聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶；分别用乙醇、蒸馏水洗涤，除去杂质，冷冻干燥，得到角蛋白温敏性高分子凝胶。
取1g角蛋白温敏性高分子凝胶，浸入15mL含有5.0g衣康酸和0.25gN,N-亚甲基双丙烯酰胺的溶液中，浸泡8h，使角蛋白复合温敏性高分子凝胶充分溶胀；惰性气体保护下，加入0.5g过硫酸铵并搅拌均匀，密封后于40℃水浴中反应24h，得角蛋白基双敏感水凝胶；分别用乙醇、蒸馏水洗涤，除去未反应单体和杂质，冷冻干燥，得到角蛋白基双敏感高分子凝胶。
该角蛋白基双敏感高分子凝胶在体温环境（37℃）下，对盐酸阿霉素的累积释放率为90.1%。
实施例3
惰性气体保护下，将1g羽毛角蛋白加入50mL6mol/L的尿素溶液中，搅拌分散均匀；加入40mg巯基乙醇，升温至65℃，搅拌60min；加入2gN,N-二乙基丙烯酰胺、0.4gN,N-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌混合均匀；再加入80mg过硫酸铵，搅拌60min；加入80mg亚硫酸氢钠，密封后于40℃水浴中反应30h，得角蛋白/聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶；分别用乙醇、蒸馏水洗涤，除去杂质，冷冻干燥，得到角蛋白温敏性高分子凝胶。
取2g角蛋白温敏性高分子凝胶，浸入30mL含有8.0g衣康酸和0.5gN,N-亚甲基双丙烯酰胺的溶液中，浸泡12h，使角蛋白温敏性高分子凝胶充分溶胀；惰性气体保护下，加入0.8g过硫酸铵并搅拌均匀，密封后于40℃的水浴中反应30h，得角蛋白基双敏感水凝胶；分别用乙醇、蒸馏水洗涤，除去未反应单体和杂质，冷冻干燥，得到角蛋白基双敏感高分子凝胶。
该角蛋白基双敏感高分子凝胶在体温环境（37℃）下，对盐酸阿霉素的累积释放率为88.1%。
实施例4
惰性气体保护下，将2g羽毛角蛋白加入80mL8mol/L的尿素溶液中，搅拌分散均匀；加入50mg巯基乙醇，升温至65℃，搅拌60min；再加入4gN,N-二乙基丙烯酰胺、0.7gN,N-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌混合均匀；再加入100mg过硫酸铵，搅拌60min；加入100mg亚硫酸氢钠，密封后于40℃水浴中反应36h，得角蛋白/聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶；分别用乙醇、蒸馏水洗涤，除去杂质，冷冻干燥，得到角蛋白复合温敏性高分子凝胶。
取3g角蛋白温敏性高分子凝胶，浸入30mL含有10.0g衣康酸和0.7gN,N-亚甲基双丙烯酰胺的溶液中，浸泡16h，使角蛋白温敏性高分子凝胶充分溶胀；惰性气体保护下，加入1g过硫酸铵并搅拌均匀，密封后于40℃的水浴中反应36h，得角蛋白基双敏感水凝胶；分别用乙醇、蒸馏水洗涤，除去未反应单体和杂质，冷冻干燥，得到角蛋白基双敏感高分子凝胶。
该角蛋白基双敏感高分子凝胶在体温环境（37℃）下，对盐酸阿霉素的累积释放率为85.2%。
Claims (10)
1.一种角蛋白基双敏感高分子凝胶的制备方法，是以羽毛角蛋白为生物高分子基体，采用分步聚合的方式，依次将温敏性单体、酸敏性单体原位聚合在羽毛角蛋白基体上，得到角蛋白复合双敏感高分子凝胶。
2.如权利要求1所述蛋白复合双敏感高分子凝胶的制备方法，其特征在于：由以下工艺步骤完成：
（1）角蛋白温敏性高分子凝胶的制备：惰性气体保护下，将0.1～2g羽毛角蛋白分散于5～80mL尿素溶液或稀碱溶液中，加入4～100mg还原剂，升温至65℃，搅拌20～60min；加入0.2～4g温敏性单体，50～700mg交联剂并混合均匀；加入30～300mg引发剂，搅拌5～30min；再加入30～300mg引发剂，密封后于40～70℃水浴反应6～36h；产物分别用乙醇、蒸馏水洗涤，除去杂质，冷冻干燥，得到角蛋白温敏性高分子凝胶；
（2）角蛋白基双敏感高分子凝胶的制备：上述制备的角蛋白温敏性高分子凝胶0.2～3g，浸于5～50mL含有1.0～10g酸敏性单体和50～700mg交联剂的溶液中，使角蛋白温敏性高分子凝胶充分溶胀；然后在惰性气体保护下，加入0.1～1g引发剂混合均匀，密封后于40～80℃的水浴中反应6～36h，得角蛋白基双敏感高分子水凝胶；分别用乙醇、蒸馏水洗涤，除去未反应的单体和杂质，冷冻干燥，得角蛋白基双敏感高分子干凝胶。
3.如权利要求1或2所述角蛋白基双敏感高分子凝胶的制备方法，其特征在于：所述温敏性单体为N-异丙基丙烯酰胺或N,N-二乙基丙烯酰胺。
4.如权利要求1或2所述角蛋白基双敏感高分子凝胶的制备方法，其特征在于：所述酸敏性单体为衣康酸。
5.如权利要求2所述种角蛋白基双敏感高分子凝胶的制备方法，其特征在于：所述尿素溶液或稀碱溶液的浓度0.8～8mol/L。
6.如权利要求2所述角蛋白基双敏感高分子凝胶的制备方法，其特征在于：所述还原剂采用二硫苏糖醇或巯基乙醇。
7.如权利要求2所述角蛋白基双敏感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。
8.如权利要求2所述角蛋白基双敏感高分子凝胶的制备方法，其特征在于：所述引发剂、引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾。
9.如权利要求2所述角蛋白基双敏感高分子凝胶的制备方法，其特征在于：所述引发剂为亚硫酸氢钠。
10.如权利要求1所述方法制备的角蛋白基双敏感高分子凝胶作为药物载体的应用。
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