CN106178131A - 一种丝素蛋白气凝胶的制备方法 - Google Patents

一种丝素蛋白气凝胶的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种丝素蛋白气凝胶的制备方法，以家蚕丝为原料，通过脱胶、溶解、透析获得丝素蛋白水溶液，经过以下步骤制备得到丝素蛋白气凝胶：1)采用室温鼓风浓缩或者加入去离子水稀释，调节丝素蛋白水溶液浓度为15mg/ml～60mg/ml；2)将丝素蛋白水溶液置于容器中，使用搅拌器对丝素蛋白水溶液进行高速剪切10min～60min，形成大量气泡，丝素蛋白水溶液转变为泡沫状液体；3)将泡沫状液体倒入模具中冷冻干燥，获得丝素蛋白气凝胶。本发明制备的气凝胶密度极低，并且具有质量轻、高比表面积、生物相容性良好等优点，特别适合用于体液吸附，生物敷料，药物缓释，组织修复等方面，具有广阔的用作生物医用材料的前景。

Description

一种丝素蛋白气凝胶的制备方法
技术领域
本发明涉及气凝胶材料制备的领域。更具体地说，本发明涉及一种低密度多孔结构的丝素蛋白气凝胶的制备方法。
背景技术
气凝胶，又称干凝胶，由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成纳米多孔网状结构，并在空隙中充满气态介质的高分散固体材料。其为密度极低的固体材料，密度约为0.003～0.5g/cm3，密度最低可至0.001g/cm3。它明显不同于孔洞结构在微米和毫米级的多孔材料，具有极大的比表面积，其比表面积高达200～1000m2/g，其空洞率高达80％～99.8％，导热率极低，约为0.015w/(m·k)。独特的纳米多孔结构使其在热学、声学、光学、力学等方面的性能明显不同于其他相应的宏观玻璃态材料，例如高孔隙率、高比表面积、低密度、低折射率、低弹性模量、低声阻抗、低热导率、强吸附性能、典型的分形结构等。随着研究的不断深入，其潜在应用价值正不断得到体现，在许多领域有着广泛的应用前景。
由于气凝胶的多孔结构且气孔尺寸在50nm以内，小于空气的自由程(约70nm)，使材料近似处于真空状态，此外由于气凝胶极低的体积密度使得它具有极低的固态和气态热传导，成为目前世界上热导率最低的固体材料。在能源日益紧缺和建设“节约型社会”的今天，气凝胶在保温隔热方面更是大有用武之地。亲水性气凝胶可以加速药物的溶解，憎水性气凝胶可延缓药物溶解，气凝胶可作为药物传输系统，并可实现对药物释放速率的控制。气凝胶根据其成分可以分为：无机气凝胶(如SiO2气凝胶和Al2O3气凝胶)、有机气凝胶(如间苯二酚一甲醛气凝胶和三聚氰胺一甲醛气凝胶)以及将有机气凝胶炭化后得到的碳气凝胶等。这些气凝胶难以生物降解，生物相容性较差，故非常有必要研究一种生物相容性良好的气凝胶用于体液吸附，生物敷料，药物传输，组织修复等方面。
蚕丝是一种优异的天然蛋白质纤维,由乙氨酸、丙氨酸、丝氨酸等18种氨基酸组成。具有许多独特的物理化学性质,特别是良好的生物相容性,对机体无毒性,无致敏和刺激作用,另外还具有优良的物理机械性能、降解性能,并且降解产物不会引起炎症反应。因此,近年来其用作生物医用材料的报道日益增多。目前已经制备了各种丝素蛋白水凝胶用于组织修复。在本发明专利之前，中国专利200910025440.1公开了一种丝素蛋白水凝胶的制备方法，采用超声波震荡制备了丝素蛋白水凝胶，但是水凝胶密度较高大于1g/cm3，远远超过气凝胶的密度。中国专利201610120223.0公开了一种植物蛋白气凝胶及其制备方法，通过将植物蛋白粉经碱液水热处理制成蛋白胶液，再添加交联剂静置形成凝胶，最后将凝胶用置换溶剂置换、冷冻、真空干燥获得植物蛋白气凝胶。该气凝胶使用交联剂，影响其生物相容性。
发明内容
本发明的一个目的是解决已有的气凝胶材料难以生物降解、生物相容性较差的问题，制备出一种生物相容性较佳且易降解的丝素蛋白气凝胶材料。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种丝素蛋白气凝胶的制备方法，以家蚕丝为原料，通过脱胶、溶解、透析获得丝素蛋白水溶液，其特征在于，经过以下步骤制备得到丝素蛋白气凝胶：
1)采用室温鼓风浓缩或者加入去离子水稀释，调节丝素蛋白水溶液浓度为15mg/ml～60mg/ml；
2)将丝素蛋白水溶液置于容器中，使用搅拌器对丝素蛋白水溶液进行高速剪切10min～60min，形成大量气泡，丝素蛋白水溶液转变为泡沫状液体；
3)将泡沫状液体倒入模具中冷冻干燥，获得丝素蛋白气凝胶。
优选的是，其中，上述步骤(1)中调节丝素蛋白水溶液浓度为30mg/ml～60mg/ml。
优选的是，其中，上述步骤(2)中剪切时间为10min～30min。
优选的是，其中，上述步骤(2)中所述搅拌器为打蛋器用搅拌棒。
优选的是，其中，上述步骤(2)中所述的高速剪切速度为300r/min～900r/min。
优选的是，其中，所述容器为圆柱形容器。
本发明还有一个目的是提供一种用上述制备方法制得的丝素蛋白气凝胶。
优选的是，其丝素蛋白含量为100％，且其为多孔结构，密度为0.01g/cm3～0.05g/cm3，压缩强度为20kPa～70kPa。
本发明至少包括以下有益效果：
(1)本发明通过对丝素蛋白水溶液进行高速剪切处理，对所制凝胶进行冷冻干燥处理得到丝素蛋白气凝胶，该气凝胶的密度与一般水凝胶相比大大降低，并且具有质量轻，高比表面积等优点，特别适合用于体液吸附，生物敷料，药物缓释，组织修复等方面；
(2)丝素蛋白气凝胶在压缩过程中具有较好的储能能力；
(3)由于本发明在制备过程中未添加任何化学试剂，无毒副作用，因此不会引起丝素蛋白凝胶生物相容性的降低，具有广阔的用作生物医用材料的前景。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是实例一所制备的丝素蛋白气凝胶电镜照片；
图2是实例二所制备的丝素蛋白气凝胶电镜照片；
图3是实例三所制备的丝素蛋白气凝胶电镜照片；
图4是实例四所制备的丝素蛋白气凝胶电镜照片；
图5是实例五所制备的丝素蛋白气凝胶电镜照片。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例一：
(1)丝素蛋白溶液的制备：用天平称取80g家蚕茧壳，配置质量分数为0.01M，pH＝9.5的碳酸氢钠碳酸钠水溶液4000毫升，用电磁炉加热到沸腾后加入茧壳，调节电磁炉功率为最低，继续微沸30min，取出茧丝并用去离子水清洗干净；重复以上步骤三次，脱去丝胶，然后取出置于60℃的烘箱中烘干得到纯丝素蛋白纤维。将纯丝素蛋白纤维按浴比20:150溶解于浓度为9.3mol/L的溴化锂溶液中，在恒温磁力搅拌器中以60±2℃溶解约1h。冷却后取出装入透析袋中密封，置于去离子水中透析3-4d，用脱脂棉过滤得到纯丝素蛋白溶液，通过干燥称重计算得到纯丝素蛋白溶液的质量分数，放置于4℃冰箱中备用。
(2)气凝胶的制备：取出制备好的丝素蛋白溶液，加入去离子水稀释配制含固率为30mg/ml的丝素蛋白水溶液，在烧杯中加入80毫升上述配制好的丝素蛋白水溶液，在搅拌器上安装打蛋器用搅拌棒，采用400r/min的转速对上述丝素蛋白水溶液进行搅拌剪切。搅拌剪切20min后取出泡沫状凝胶，将该泡沫状凝胶倒入模具中低温冷冻得到冷冻体，将冷冻体放入冷冻干燥机干燥48小时后取出获得丝素蛋白气凝胶。测试其密度，压缩强度与压缩模量，结果见表一。喷金后电镜观察孔结构，电镜照片见图1。
实施例二
(1)丝素溶液的制备：用精密天平称取80g家蚕茧壳，配置质量分数为0.01M，pH＝9.5的碳酸氢钠碳酸钠水溶液4000毫升，(在不锈钢中加入4000毫升去离子水，碳酸钠1克，碳酸氢钠3克)，用电磁炉加热到沸腾后加入茧壳，调节电磁炉功率为最低，继续微沸30min，取出丝并用去离子水清洗干净；重复以上步骤三次以脱去丝胶，然后取出置于60℃的烘箱中烘干得到纯丝素纤维。将纯丝素纤维按浴比20:150溶解于浓度为9.3mol/L的溴化锂溶液中，在恒温磁力搅拌器中以60±2℃溶解约1h，冷却后取出装入透析袋中密封，低温下置于去离子水中透析3-4d，用脱脂棉过滤得到纯丝素溶液，通过烘干称重计算得到纯丝素溶液的质量分数并放置于4℃冰箱中备用。
(2)气凝胶的制备：取出制备好的丝素蛋白溶液，加入去离子水稀释配制含固率为30mg/ml的丝素蛋白水溶液，在烧杯中加入80毫升上述配制好的丝素蛋白水溶液，在搅拌器上安装打蛋器用搅拌棒，采用400r/min的转速对上述丝素蛋白水溶液进行搅拌剪切。搅拌剪切20min后取出泡沫状凝胶，将该泡沫状凝胶倒入模具中低温冷冻得到冷冻体，将冷冻体放入冷冻干燥机干燥48小时后取出获得丝素蛋白气凝胶。测试其密度，压缩强度与压缩模量，结果见表一。喷金后电镜观察孔结构，电镜照片见图2。
实施例三：
(1)丝素溶液的制备：用精密天平称取80g家蚕茧壳，配置质量分数为0.01M，pH＝9.5的碳酸氢钠碳酸钠水溶液4000毫升，(在不锈钢中加入4000毫升去离子水，碳酸钠1克，碳酸氢钠3克)，用电磁炉加热到沸腾后加入茧壳，调节电磁炉功率为最低，继续微沸30min，取出丝并用去离子水清洗干净；重复以上步骤三次以脱去丝胶，然后取出置于60℃的烘箱中烘干得到纯丝素纤维。将纯丝素纤维按浴比20:150溶解于浓度为9.3mol/L的溴化锂溶液中，在恒温磁力搅拌器中以60±2℃溶解约1h，冷却后取出装入透析袋中密封，低温下置于去离子水中透析3-4d，用脱脂棉过滤得到纯丝素溶液，通过烘干称重计算得到纯丝素溶液的质量分数并放置于4℃冰箱中备用。
(2)气凝胶的制备：取出制备好的丝素蛋白溶液，加入去离子水稀释配制含固率为30mg/ml的丝素蛋白水溶液，在烧杯中加入80毫升上述配制好的丝素蛋白水溶液，在搅拌器上安装打蛋器用搅拌棒，采用720r/min的转速对上述丝素蛋白水溶液进行搅拌剪切。搅拌剪切20min后取出泡沫状凝胶，将该泡沫状凝胶倒入模具中低温冷冻得到冷冻体，将冷冻体放入冷冻干燥机干燥48小时后取出获得丝素蛋白气凝胶。测试其密度，压缩强度与压缩模量，结果见表一。喷金后电镜观察孔结构，电镜照片见图3。
实施例四
(1)丝素溶液的制备：用精密天平称取80g家蚕茧壳，配置质量分数为0.01MpH＝9.5的碳酸氢钠碳酸钠水溶液4000毫升，(在不锈钢中加入4000毫升去离子水，碳酸钠1克，碳酸氢钠3克)，用电磁炉加热到沸腾后加入茧壳，调节电磁炉功率为最低，继续微沸30min，取出丝并用去离子水清洗干净。重复以上试验三次以脱去丝胶，然后取出置于60℃的烘箱中烘干得到纯丝素纤维。将纯丝素纤维按浴比20:150溶解于浓度为9.3mol/L的溴化锂溶液中，在恒温磁力搅拌器中以60±2℃溶解约1h，冷却后取出装入透析袋中密封，低温下置于去离子水中透析3-4d，用脱脂棉过滤得到纯丝素溶液，通过烘干称重计算得到纯丝素溶液的质量分数并放置于4℃冰箱中备用。
(2)气凝胶的制备：取出制备好的丝素蛋白溶液，加入去离子水稀释配制含固率为30mg/ml的丝素蛋白水溶液，在烧杯中加入80毫升上述配制好的丝素蛋白水溶液，在搅拌器上安装打蛋器用搅拌棒，采用400r/min的转速对上述丝素蛋白水溶液进行搅拌剪切。搅拌剪切10min后取出泡沫状凝胶，低温冷冻得到冷冻体，将冷冻体放入冷冻干燥机干燥48小时后取出获得丝素蛋白气凝胶。测试其密度，压缩强度与压缩模量，结果见表一。喷金后电镜观察孔结构，电镜照片见图4.
实施例五
(1)丝素溶液的制备：用精密天平称取80g家蚕茧壳，配置质量分数为0.01MpH＝9.5的碳酸氢钠碳酸钠水溶液4000毫升，(在不锈钢中加入4000毫升去离子水，碳酸钠1克，碳酸氢钠3克)，用电磁炉加热到沸腾后加入茧壳，调节电磁炉功率为最低，继续微沸30min，取出丝并用去离子水清洗干净。重复以上试验三次以脱去丝胶，然后取出置于60℃的烘箱中烘干得到纯丝素纤维。将纯丝素纤维按浴比20:150溶解于浓度为9.3mol/L的溴化锂溶液中，在恒温磁力搅拌器中以60±2℃溶解约1h，冷却后取出装入透析袋中密封，低温下置于去离子水中透析3-4d，用脱脂棉过滤得到纯丝素溶液，通过烘干称重计算得到纯丝素溶液的质量分数并放置于4℃冰箱中备用。
(2)气凝胶的制备：取出制备好的丝素蛋白溶液，用室温鼓风浓缩配制含固率为50mg/ml的丝素蛋白水溶液，在烧杯中加入80毫升上述配制好的丝素蛋白水溶液，在搅拌器上安装打蛋器用搅拌棒，采用400r/min的转速对上述丝素蛋白水溶液进行搅拌剪切。搅拌剪切20min后取出泡沫状凝胶，将该泡沫状凝胶倒入模具中低温冷冻得到冷冻体，将冷冻体放入冷冻干燥机干燥48小时后取出获得丝素蛋白气凝胶。测试其密度，压缩强度与压缩模量，结果见表一。喷金后电镜观察孔结构，电镜照片见图5。
表1为各实施例制备的丝素蛋白气凝胶的性能
密度(g/cm3) 压缩强度(KPa) 压缩模量(KPa)
实施例一 0.029 28.16 47.74
实施例二 0.033 36.11 49.01
实施例三 0.036 55.08 51.61
实施例四 0.013 21.53 41.79
实施例五 0.033 46.86 50.83
由表1可见，通过本发明的方法制备的丝素蛋白气凝胶密度极低，具有质轻的优点，且其力学性能良好；通过图1～图5可以看出，本发明的方法制备的丝素蛋白气凝胶为具有高孔隙率的多孔结构，且其比表面积高，特别适合用于体液吸附，生物敷料，药物缓释，组织修复等方面；此外，由于丝素蛋白气凝胶的高孔隙率使得其在压缩过程中具有较好的储能能力。本发明在制备过程中未添加任何化学试剂，无毒副作用，因此不会引起丝素蛋白凝胶生物相容性的降低，具有广阔的用作生物医用材料的前景。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种丝素蛋白气凝胶的制备方法，以家蚕丝为原料，通过脱胶、溶解、透析获得丝素蛋白水溶液，其特征在于，经过以下步骤制备得到丝素蛋白气凝胶：
1)采用室温鼓风浓缩或者加入去离子水稀释，调节丝素蛋白水溶液浓度为15mg/ml～60mg/ml；
2)将丝素蛋白水溶液置于容器中，使用搅拌器对丝素蛋白水溶液进行高速剪切10min～60min，形成大量气泡，丝素蛋白水溶液转变为泡沫状液体；
3)将泡沫状液体倒入模具中冷冻干燥，获得丝素蛋白气凝胶。
2.如权利要求1所述的丝素蛋白气凝胶的制备方法，其特征在于，上述步骤(1)中调节丝素蛋白水溶液浓度为30mg/ml～60mg/ml。
3.如权利要求1所述的丝素蛋白气凝胶的制备方法，其特征在于，上述步骤(2)中剪切时间为10min～30min。
4.如权利要求1所述的丝素蛋白气凝胶的制备方法，其特征在于，上述步骤(2)中所述搅拌器为打蛋器用搅拌棒。
5.如权利要求1所述的丝素蛋白气凝胶的制备方法，其特征在于，上述步骤(2)中所述的高速剪切速度为300r/min～900r/min。
6.如权利要求1所述的丝素蛋白气凝胶的制备方法，其特征在于，所述容器为圆柱形容器。
7.如权利要求1-6任意一项所述的丝素蛋白气凝胶的制备方法制得的丝素蛋白气凝胶。
8.如权利要求7所述的丝素蛋白气凝胶，其特征在于，其丝素蛋白含量为100％，且其为多孔结构，密度为0.01g/cm3～0.05g/cm3，压缩强度为20kPa～70kPa。
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