CN105968384B - 一种非晶丝素蛋白纳米纤维溶液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非晶丝素蛋白纳米纤维溶液及其制备方法，该非晶丝素蛋白纳米纤维的直径在20nm以下，长度在200～500nm之间，制备过程中，通过溶剂体系、丝素蛋白纤维质量、溶解温度、溶解时间、透析过程中温度、换水时间、离心速率及离心时间的协同控制，最终形成结构均一、且主要为非晶丝素蛋白纳米纤维的溶液，同时，采用该种制备方法，工艺简单，得到的产物无有机溶剂残留、生物相容性好。

Description

一种非晶丝素蛋白纳米纤维溶液及其制备方法

技术领域

本发明涉及纳米纤维溶液技术领域，尤其涉及一种非晶丝素蛋白纳米纤维溶液及其制备方法。

背景技术

作为天然蛋白，丝素蛋白在组织工程、药物释放、微型器件等领域的功能性应用已被广泛探索。不同形态再生丝素蛋白的形成，包括支架、膜、凝胶、粉末和胶粘剂等是实现这些应用的前提。最近，随着应用领域的扩展和深入，对丝蛋白微结构的控制提出越来越高的要求，然而，作为制备丝蛋白基材料的基础，丝蛋白水溶液中丝蛋白基本不存在均一的纳米结构，使得进一步实现丝蛋白材料微结构设计面临极大困难，限制了丝蛋白在新兴领域的有效应用。为解决上述矛盾，现有技术中已发明了采用浓缩-稀释热处理的工艺来制备丝蛋白纳米纤维，但所制备纳米纤维主要由高结晶的beta-sheet结构组成，难以获得高浓度水溶液，较高浓度(＞0.5％)时会转变为水凝胶。虽然基于该纳米纤维制备出了各种丝蛋白基功能材料，但是该丝蛋白纳米纤维的溶液态低浓度阈值及高电荷斥力限制其进一步组装成具有分层微纳米结构的特殊功能形态，同时难以进行进一步的处理，实现不同的功能。

无机盐、浓酸、离子液体等多种溶剂已被用于破坏丝素蛋白分子间的氢键来溶解脱胶蚕丝。一般来说，这些溶剂都是完全破坏天然丝素蛋白纤维的纳米结构，最终获得不存在纳米特定纳米结构的丝蛋白溶液。最近，为解决上述问题，我们试图通过溶剂体系的设计来控制丝蛋白的溶解程度，从而保留部分丝蛋白纤维的纳米结构，获得更好的性能。通过设计甲酸-氯化钙，甲酸-溴化锂混合溶剂，在保留丝蛋白部分纳米结构的同时实现溶解，并制备了不同种类的丝蛋白材料，然而上述专利和技术中，随着甲酸、氯化钙、溴化锂的析出，丝蛋白会快速重新组装，形成beta-sheet结构，导致其凝胶固化，无法获得丝蛋白的水溶液，同时丝蛋白在上述体系中存在不同的结构，难以获得结构均一的丝蛋白。迄今为止，具有非晶结构的丝蛋白纳米纤维水溶液及其制备方法未见报道。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种非晶丝素蛋白纳米纤维溶液，并且通过优化溶剂系统制备此非晶丝素蛋白纳米纤维溶液的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种非晶丝素蛋白纳米纤维溶液，并且通过优化溶剂系统制备此非晶丝素蛋白纳米纤维溶液的方法。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种非晶丝素蛋白纳米纤维溶液，所述非晶丝素蛋白纳米纤维的直径在20nm以下，长度在200～500nm之间，所述非晶丝素蛋白纳米纤维的构象为非晶态。

一种非晶丝素蛋白纳米纤维溶液的制备方法，包括以下步骤：

S1、将甲酸和溴化钾混合，并搅拌混匀；

S2、加入脱胶蚕丝，并挤压至全部浸润，得到混合液；

S3、将所述混合液置于烘箱中，调节至第一温度下放置一段时间，得到混合溶液；

S4、将所述混合溶液装进透析袋，在去离子水中透析2～4天，期间换水若干次；

S5、离心，之后取上清液，得到非晶丝素蛋白纳米纤维溶液。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中甲酸的质量分数为98％，体积为1～2.5ml，所述溴化钾的浓度为7～8.5M，体积为40～48ml。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中脱胶蚕丝的质量为0.5～2g。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中的第一温度为40～75℃。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中的时间为1～8h。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S4中去离子水的温度为0～20℃。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S4中换水的间隔时间为1～6h。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S5中离心速度为6000～10000rpm。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S5中离心的时间为10～40min。

本发明具有以下有益效果：

(1)通过溶剂体系、丝素蛋白纤维质量、溶解温度以及溶解时间的协同控制，实现对丝素蛋白纤维结构破坏程度的有效调控，最终形成主要为非晶丝素蛋白纳米纤维的溶液，避免了现有技术中只能获得不同纳米结构丝素蛋白混合物的弊端；

(2)通过透析过程中温度、换水时间等的调整，抑制丝素蛋白在透析过程中向beta-sheet晶体结构的转化，避免了现有技术中beta-sheet形成，导致丝素蛋白凝胶固化的问题，本发明可最终获得非晶的丝素蛋白纳米纤维溶液；

(3)通过调控离心速率和离心时间，有效实现了少量其它结构丝素蛋白同丝素蛋白纳米纤维的分离，最终获得结构均一的丝素蛋白纳米纤维溶液；

(4)同以往的丝素蛋白溶液相比，本发明所制备的丝素蛋白纳米纤维溶液完全由丝素蛋白纳米纤维组成，且丝素蛋白纳米纤维为易溶于水的非晶态，可以在水溶液中稳定存在，有利于以此为基础构建不同结构和性能的丝素蛋白功能材料，解决了丝素蛋白材料功能化的关键问题；

(5)所采用的非晶丝素蛋白纳米纤维溶液的制备方法，工艺简单，得到的产物无有机溶剂残留、生物相容性好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1中的图1a为本发明中非晶丝素蛋白纳米纤维溶液的宏观图；

图1b为本发明中非晶丝素蛋白纳米纤维溶液的粒径图；

图1c与图1d为本发明中非晶丝素蛋白纳米纤维溶液的扫描电镜图；

图1e与图1f为本发明中非晶丝素蛋白纳米纤维溶液的原子力显微镜图；

图2为本发明中非晶丝素蛋白纳米纤维溶液的圆二色光谱图(g)和红外光谱图(h)；

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参见图1，图1a为本发明中非晶丝素蛋白纳米纤维溶液的宏观图、图1b为本发明中非晶丝素蛋白纳米纤维溶液的粒径图、图1c与图1d为本发明中非晶丝素蛋白纳米纤维溶液的扫描电镜图、图1e与图1f为本发明中非晶丝素蛋白纳米纤维溶液的原子力显微镜图，请参见图2，为非晶丝素蛋白纳米纤维溶液的圆二色光谱图(g)和红外光谱图(h)。可看出，本发明中的非晶丝素蛋白纳米纤维溶液，非晶丝素蛋白纳米纤维的直径在20nm以下，长度在200～500nm之间，非晶丝素蛋白纳米纤维的构象为非晶态，丝素蛋白纳米纤维以易溶于水的非晶态为主，可以在水溶液中稳定存在，有利于以此为基础构建不同结构和性能的丝素蛋白功能材料。

本发明还提出了一种制备非晶丝素蛋白纳米纤维溶液的方法，包括以下步骤：

S1、将甲酸和溴化钾混合，并搅拌混匀；

S2、加入脱胶蚕丝，并挤压至全部浸润，得到混合液；

S3、将混合液置于烘箱中，调节至第一温度下放置一段时间，得到混合溶液；

S4、将该混合溶液装进透析袋，在去离子水中透析2～4天，期间换水若干次；

S5、离心，之后取上清液，得到非晶丝素蛋白纳米纤维溶液。

其中，步骤S1中甲酸的质量分数为98％，体积为1～2.5ml，溴化钾的浓度为7～8.5M，体积为40～48ml，甲酸与溴化钾的体积比范围在1∶16至1∶48之间。步骤S2中脱胶蚕丝的质量选取0.5～2g之间。步骤S3中，混合液置于烘箱中，使丝素蛋白纤维溶解的第一温度为40～75℃之间，在烘箱中放置的时间为1～8h之间。

通过上述溶剂体系、丝素蛋白纤维质量、溶解温度以及溶解时间的协同控制，实现对丝素蛋白纤维结构破坏程度的有效调控，使丝素蛋白转变为溶液态，利于形成主要为非晶丝素蛋白纳米纤维的溶液。

之后，步骤S4中去离子水的温度为0～20℃之间，期间换水若干次，换水的间隔时间为1～6h之间，通过透析过程中温度、换水时间等的调整，可以抑制丝素蛋白在透析过程中向beta-sheet晶体结构的转化，避免了丝素蛋白凝胶固化，利于获得非晶的丝素蛋白纳米纤维溶液。

最后进行离心，调节离心速率与离心时间，有效实现少量其它结构丝素蛋白同丝素蛋白纳米纤维的分离，最终获得结构均一的丝素蛋白纳米纤维溶液，优选的，离心速度为6000～10000rpm之间，离心时间为10～40min之间。

以下是具体实施例。

实施例一：

S1、将2.5ml 98％甲酸加入到40ml 8.4M溴化钾溶液中，搅拌混匀；

S2、然后加入0.6g脱胶蚕丝，玻璃棒挤压至全部浸润，得到混合液；

S3、将此混合液放入烘箱中，于60℃下放置4h，获得混合溶液；

S4、然后将该混合溶液装进透析袋，在20℃条件下的去离子水中透析2天，期间每隔2h换一次水。

S5、进行离心，离心速率9000rpm，离心时间20min，之后取上清液，即为非晶丝素蛋白纳米纤维溶液。

实施例二：

(1)将1ml 98％甲酸加入到48ml 7.2M溴化钾溶液中，搅拌混匀；

(2)然后加入1.8g脱胶蚕丝，玻璃棒挤压至全部浸润，得到混合液；

(3)将此混合液放入烘箱中，于75℃下放置2h，获得混合溶液；

(4)然后将该混合溶液装进透析袋，在10℃条件下的去离子水中透析4天，期间每隔4h换一次水。

(5)进行离心，离心速率6000rpm，离心时间40min，之后取上清液，即为非晶丝素蛋白纳米纤维溶液。

实施例三：

(1)将1.5ml 98％甲酸加入到45ml 8M溴化钾溶液中，搅拌混匀；

(2)然后加入1g脱胶蚕丝，玻璃棒挤压至全部浸润，得到混合液；

(3)将此混合液放入烘箱中，于45℃下放置8h，获得混合溶液；

(4)然后将其装进透析袋，在2℃条件下的去离子水中透析2天，期间每隔2h换一次水。

(5)进行离心，离心速率10000rpm，离心时间10min，之后取上清液，即为非晶丝素蛋白纳米纤维溶液。

实施例四：

(1)将2ml 98％甲酸加入到45ml 7.5M溴化钾溶液中，搅拌混匀；

(2)然后加入0.8g脱胶蚕丝，玻璃棒挤压至全部浸润，得到混合液；

(3)将此混合液放入烘箱中，于75℃下放置1h，获得混合溶液；

(4)然后将该混合溶液装进透析袋，在15℃条件下的去离子水中透析3天，期间每隔1h换一次水。

(5)进行离心，离心速率8000rpm，离心时间30min，之后取上清液，即为非晶丝素蛋白纳米纤维溶液。

实施例五：

(1)将1ml 98％甲酸加入到48ml 8.5M溴化钾溶液中，搅拌混匀；

(2)然后加入2g脱胶蚕丝，玻璃棒挤压至全部浸润，得到混合液；

(3)将此混合液放入烘箱中，于55℃下放置8h，获得混合溶液；

(4)然后将该混合溶液装进透析袋，在4℃条件下的去离子水中透析3天，期间每隔6h换一次水。

(5)进行离心，离心速率9000rpm，离心时间20min，之后取上清液，即为非晶丝素蛋白纳米纤维溶液。

采用该方法制备非晶丝素蛋白纳米纤维溶液，制备工艺简单，得到的产物无有机溶剂残留，且生物相容性好。

本发明提出一种非晶丝素蛋白纳米纤维溶液及其制备方法，该非晶丝素蛋白纳米纤维的直径在20nm以下，长度在200～500nm之间，制备过程中，通过溶剂体系、丝素蛋白纤维质量、溶解温度、溶解时间、透析过程中温度、换水时间、离心速率及离心时间的协同控制，最终形成结构均一、且主要为非晶丝素蛋白纳米纤维的溶液。同时，采用该种制备方法，工艺简单，得到的产物无有机溶剂残留、生物相容性好。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种非晶丝素蛋白纳米纤维溶液的制备方法，其特征在于，所述非晶丝素蛋白纳米纤维的直径在20nm以下，长度在200～500nm之间，所述非晶丝素蛋白纳米纤维的构象为非晶态，包括以下步骤：

S1、将甲酸和溴化钾混合，并搅拌混匀，甲酸的质量分数为98％，体积为1～2.5ml，所述溴化钾的浓度为7～8.5M，体积为40～48ml；

S2、加入脱胶蚕丝0.5～2g，并挤压至全部浸润，得到混合液；

S3、将所述混合液置于烘箱中，调节至40～75℃温度下放置1～8h，得到混合溶液；

S4、将所述混合溶液装进透析袋，在0～20℃的去离子水中透析2～4天，期间换水若干次，换水的间隔时间为1～6h；

S5、离心，离心的速度为6000～10000rpm，离心的时间为10～40min，之后取上清液，得到非晶丝素蛋白纳米纤维溶液。