CN106581771B - 一种丝胶蛋白复合水凝胶及其制备方法 - Google Patents

一种丝胶蛋白复合水凝胶及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种丝胶蛋白复合水凝胶及其制备方法，包括透析袋预处理、丝胶蛋白初选、丝胶蛋白预处理、丝胶蛋白透析、复合水凝胶前体制备和成品过程。本发明所述方法制备获得的丝胶蛋白复合水凝胶能够快速成胶，且具有可注射特性；本发明所述方法制备获得的丝胶蛋白复合水凝胶具有多孔结构，不仅可以为细胞的增值和存活提供空间，而且能为生物活性因子维持和释放提供微环境；本发明所述方法制备获得的丝胶蛋白复合水凝胶具有良好的机械性能。

Description

一种丝胶蛋白复合水凝胶及其制备方法
技术领域
本发明属于组织工程学领域，涉及一种聚合物材料，具体涉及一种丝胶蛋白复合水凝胶及其制备方法。
背景技术
从19世纪末“水凝胶”第一次出现在科学文献中至今，水凝胶的研究大致经历了四个阶段，即第一代水凝胶为20世纪60年代，集中于用简单的化学交联的方式获得聚合网络结构，水凝胶的应用主要集中于眼科和药物递送研究。第二代水凝胶，主要发生在20世纪70年代，水凝胶的研究由相对简单的水膨胀大分子网络向环境响应性水凝胶领域转变。环境响应因素包括pH、温度、生物分子的浓度等。这些环境因素可用于引起特定事件，如凝胶的形成或药物释放。第三代水凝胶主要开始于20世纪90年代中期，物理相互作用获得了公认并用作交联方法制备水凝胶，这为实现增强和调控水凝胶的机械性能，以及制备具有热力学和降解性能的水凝胶提供了可能，同时人们实现了原位成胶。第四代为智能水凝胶时代，随着有机化学研究的快速进展，水凝胶的研究迎来了智能水凝胶时代，各式各样的水凝胶相继被报道。例如，利用在生理条件下采用共价交联含有多功能基团的聚合物制备低毒的原位凝胶：利用物理、共价或离子交联制备具有双网络的水凝胶；由多种聚合物制备的水凝胶可以对多种因素应答，或者形成高机械性能的水凝胶。
根据合成水凝胶原料的来源，可将水凝胶分为三类：天然、半合成以及合成水凝胶。天然水凝胶主要由天然的聚合物制备，天然聚合物资源丰富，包括聚核苷酸、多肽、多糖等，这些天然的聚合物来自不同的生物。如用于制备海藻酸盐水凝胶的海藻酸盐是由海藻中分离提纯而来，用于制备丝胶蛋白水凝胶的丝胶是取自天然的蚕丝；另外胶原、透明质酸、壳聚糖等均是用于制备水凝胶的重要天然生物材料。人工合成的水凝胶多是基于传统的乙烯基或活化的乙烯基制备而成。这些合成的水凝胶由于亲水性和交联度的不同，其水溶胀性也不同。
根据水凝胶在生理环境中的稳定性不同，可将水凝胶分为降解性水凝胶和永久性水凝胶。降解性水凝胶又可分为可生物降解性水凝胶和非生物降解性水凝胶。近年来生物降解性水凝胶无论在医学还是非医学领域均受到广泛的关注，其在生物体内执行相应的任务后可被降解成小分子或单体被清除出体外。
根据对环境的响应性不同，水凝胶又可分为智能水凝胶和传统水凝胶。智能水凝胶又称为刺激响应性水凝胶，即是一类由亲水链交联聚合形成的三维多网络结构，当其受到环境因素如温度、和特定的物理化学信号刺激下，会在体积或其他性质方面发生显著的变化。刺激因素有很多种，如温度、pH、光、磁场、电场、离子强度、葡萄糖、射线、金属、尿素、超声、溶剂的类型、螯合的种类等。智能水凝胶己被用于药物递送、生物传感器、生物分离和组织工程等领域。
根据水凝胶的注射性可分为可注射水凝胶和非可注射水凝胶。可注射水凝胶可以在原位成胶，该类水凝胶不仅为有效且均匀地包埋药物或细胞提供了便利，而且方便于微创手术，这样可以减小因手术创伤给病人带来的痛苦。正是由于可注射水凝胶具有明显的优势，特别是在外科微创手术领域，它颇受人们的欢迎。根据水凝胶所带电荷性的不同分为阳离子水凝胶、阴离子水凝胶、中性水凝胶和两性水凝胶。
根据水凝胶的结构不同可分为不定型水凝胶和半结晶水凝胶。
根据水凝胶的组成，可分为单聚体水凝胶、共聚体水凝胶、互穿网络水凝胶、双网络水凝胶等。
随着相关学科的发展，将来杂合或复合水凝胶将会受到更多的关注，在复合水凝胶系统中，我们可以实现在一个水凝胶系统中控释多种药物或生物活性因子，因为采用一种聚合物要实现多种需求是难以实现的。但是，提高材料的复杂性又不利于其商业化的发展。尽管目前已有很多聚合物已被证实颇具有潜在用途，一些商业化的且性能可以调控的水凝胶系统已为多种应用提供了平台，同吋为特定的疾病治疗带来了希望。然而，水凝胶的控释速度及使用寿命仍然未能得到解决。
发明内容
本发明解决的技术问题：为了克服现有技术的缺陷，获得一种孔隙率适宜，且根据药物或生物活性因子的特性及使用需求可以控制释放速度的水凝胶，本发明提供了一种丝胶蛋白复合水凝胶及其制备方法。
技术方案：一种丝胶蛋白复合水凝胶的制备方法，包含以下步骤：
（1）透析袋预处理：将透析袋置于碳酸钠、EDTA和SDS的混合水溶液中浸泡12～24小时，然后煮沸12～20分钟，混合水溶液的pH为8.0～8.6，其中碳酸钠、EDTA和SDS的摩尔比为1～8:1～3:1～5，；采用双蒸水将透析袋漂洗至中性，再置于pH为8.0、摩尔浓度为1～2.5mmol/L的EDTA中煮沸3～8分钟，降至室温保存；
（2）丝胶蛋白初选：采用双蒸水将蚕茧清洗干净，然后置于1.5～3mmol/L碳酸氢钠水溶液中浸泡1～4小时，室温晾干；
（3）丝胶蛋白预处理：将步骤（2）处理后的丝胶蛋白置于0.03～0.06mmol/L的碳酸钠水溶液中，然后转至高压灭菌锅中，121℃灭菌50～80分钟，其中丝胶蛋白与碳酸钠水溶液的质量比为1:1.5～3；
（4）丝胶蛋白透析：步骤（3）的产物离心后去上清，将上清液置于透析袋中，透析袋放置在双蒸水中，室温条件下透析24～40小时，每隔3小时换一次水，取透析后的丝胶蛋白置于4～8℃保存；
（5）复合水凝胶前体制备：将壳聚糖按质量比1:5～12加入1～3.5%的硝酸溶液中，磁力搅拌至完全溶解，加入步骤（4）收集的丝胶蛋白水溶液，壳聚糖与丝胶蛋白的摩尔比为1:1～1.3，磁力搅拌15～30分钟；
（6）成品：向步骤（5）的复合水凝胶前体中加入0.2～1倍体积的12～40mmol/L氯化钙水溶液，混匀后4～8℃保存。
优选的，步骤（1）透析袋预处理：将透析袋置于碳酸钠、EDTA和SDS的混合水溶液中浸泡19小时，然后煮沸18分钟，混合水溶液的pH为8.2，其中碳酸钠、EDTA和SDS的摩尔比为7:2:3，；采用双蒸水将透析袋漂洗至中性，再置于pH为8.0、摩尔浓度为1.6mmol/L的EDTA中煮沸6分钟，降至室温保存。
优选的，步骤（2）丝胶蛋白初选：采用双蒸水将蚕茧清洗干净，然后置于2.2mmol/L碳酸氢钠水溶液中浸泡2.5小时，室温晾干。
优选的，步骤（3）丝胶蛋白预处理：将步骤（2）处理后的丝胶蛋白置于0.05mmol/L的碳酸钠水溶液中，然后转至高压灭菌锅中，121℃灭菌65分钟，其中丝胶蛋白与碳酸钠水溶液的质量比为1:2.2。
优选的，步骤（4）丝胶蛋白透析：步骤（3）的产物离心后去上清，将上清液置于透析袋中，透析袋放置在双蒸水中，室温条件下透析36小时，每隔3小时换一次水，取透析后的丝胶蛋白置于6℃保存。
优选的，步骤（5）复合水凝胶前体制备：将壳聚糖按质量比1:8加入2.8%的硝酸溶液中，磁力搅拌至完全溶解，加入步骤（4）收集的丝胶蛋白水溶液，壳聚糖与丝胶蛋白的摩尔比为1:1.2，磁力搅拌25分钟。
优选的，步骤（6）成品：向步骤（5）的复合水凝胶前体中加入0.7倍体积的32mmol/L氯化钙水溶液，混匀后4℃保存。
任一所述方法制备获得的丝胶蛋白复合水凝胶。
有益效果：（1）本发明所述方法制备获得的丝胶蛋白复合水凝胶能够快速成胶，且具有可注射特性；（2）本发明所述方法制备获得的丝胶蛋白复合水凝胶具有多孔结构，不仅可以为细胞的增值和存活提供空间，而且能为生物活性因子维持和释放提供微环境；（3）本发明所述方法制备获得的丝胶蛋白复合水凝胶具有良好的机械性能。
具体实施方式
实施例1
一种丝胶蛋白复合水凝胶的制备方法，包含以下步骤：
（1）透析袋预处理：将透析袋置于碳酸钠、EDTA和SDS的混合水溶液中浸泡12小时，然后煮沸12分钟，混合水溶液的pH为8.0，其中碳酸钠、EDTA和SDS的摩尔比为1:1:1，；采用双蒸水将透析袋漂洗至中性，再置于pH为8.0、摩尔浓度为1mmol/L的EDTA中煮沸3分钟，降至室温保存；
（2）丝胶蛋白初选：采用双蒸水将蚕茧清洗干净，然后置于1.5mmol/L碳酸氢钠水溶液中浸泡1小时，室温晾干；
（3）丝胶蛋白预处理：将步骤（2）处理后的丝胶蛋白置于0.03mmol/L的碳酸钠水溶液中，然后转至高压灭菌锅中，121℃灭菌50分钟，其中丝胶蛋白与碳酸钠水溶液的质量比为1:1.5；
（4）丝胶蛋白透析：步骤（3）的产物离心后去上清，将上清液置于透析袋中，透析袋放置在双蒸水中，室温条件下透析24小时，每隔3小时换一次水，取透析后的丝胶蛋白置于4℃保存；
（5）复合水凝胶前体制备：将壳聚糖按质量比1:5加入1%的硝酸溶液中，磁力搅拌至完全溶解，加入步骤（4）收集的丝胶蛋白水溶液，壳聚糖与丝胶蛋白的摩尔比为1:1，磁力搅拌15分钟；
（6）成品：向步骤（5）的复合水凝胶前体中加入0.2倍体积的12mmol/L氯化钙水溶液，混匀后4℃保存。
实施例2
一种丝胶蛋白复合水凝胶的制备方法，包含以下步骤：
（1）透析袋预处理：将透析袋置于碳酸钠、EDTA和SDS的混合水溶液中浸泡19小时，然后煮沸18分钟，混合水溶液的pH为8.2，其中碳酸钠、EDTA和SDS的摩尔比为7:2:3，；采用双蒸水将透析袋漂洗至中性，再置于pH为8.0、摩尔浓度为1.6mmol/L的EDTA中煮沸6分钟，降至室温保存；
（2）丝胶蛋白初选：采用双蒸水将蚕茧清洗干净，然后置于2.2mmol/L碳酸氢钠水溶液中浸泡2.5小时，室温晾干；
（3）丝胶蛋白预处理：将步骤（2）处理后的丝胶蛋白置于0.05mmol/L的碳酸钠水溶液中，然后转至高压灭菌锅中，121℃灭菌65分钟，其中丝胶蛋白与碳酸钠水溶液的质量比为1:2.2；
（4）丝胶蛋白透析：步骤（3）的产物离心后去上清，将上清液置于透析袋中，透析袋放置在双蒸水中，室温条件下透析36小时，每隔3小时换一次水，取透析后的丝胶蛋白置于6℃保存；
（5）复合水凝胶前体制备：将壳聚糖按质量比1:8加入2.8%的硝酸溶液中，磁力搅拌至完全溶解，加入步骤（4）收集的丝胶蛋白水溶液，壳聚糖与丝胶蛋白的摩尔比为1:1.2，磁力搅拌25分钟；
（6）成品：向步骤（5）的复合水凝胶前体中加入0.7倍体积的32mmol/L氯化钙水溶液，混匀后4℃保存。
实施例3
一种丝胶蛋白复合水凝胶的制备方法，包含以下步骤：
（1）透析袋预处理：将透析袋置于碳酸钠、EDTA和SDS的混合水溶液中浸泡24小时，然后煮沸20分钟，混合水溶液的pH为8.6，其中碳酸钠、EDTA和SDS的摩尔比为8: 3:5，；采用双蒸水将透析袋漂洗至中性，再置于pH为8.0、摩尔浓度为2.5mmol/L的EDTA中煮沸8分钟，降至室温保存；
（2）丝胶蛋白初选：采用双蒸水将蚕茧清洗干净，然后置于3mmol/L碳酸氢钠水溶液中浸泡4小时，室温晾干；
（3）丝胶蛋白预处理：将步骤（2）处理后的丝胶蛋白置于0.06mmol/L的碳酸钠水溶液中，然后转至高压灭菌锅中，121℃灭菌80分钟，其中丝胶蛋白与碳酸钠水溶液的质量比为1:3；
（4）丝胶蛋白透析：步骤（3）的产物离心后去上清，将上清液置于透析袋中，透析袋放置在双蒸水中，室温条件下透析40小时，每隔3小时换一次水，取透析后的丝胶蛋白置于8℃保存；
（5）复合水凝胶前体制备：将壳聚糖按质量比1:12加入3.5%的硝酸溶液中，磁力搅拌至完全溶解，加入步骤（4）收集的丝胶蛋白水溶液，壳聚糖与丝胶蛋白的摩尔比为1:1.3，磁力搅拌30分钟；
（6）成品：向步骤（5）的复合水凝胶前体中加入1倍体积的40mmol/L氯化钙水溶液，混匀后8℃保存。
对照例1
与实施例2的区别在于，预处理过程未加入SDS，具体过程如下：
一种丝胶蛋白复合水凝胶的制备方法，包含以下步骤：
（1）透析袋预处理：将透析袋置于碳酸钠、EDTA的混合水溶液中浸泡19小时，然后煮沸18分钟，混合水溶液的pH为8.2，其中碳酸钠、EDTA的摩尔比为7:2，；采用双蒸水将透析袋漂洗至中性，再置于pH为8.0、摩尔浓度为1.6mmol/L的EDTA中煮沸6分钟，降至室温保存；
（2）丝胶蛋白初选：采用双蒸水将蚕茧清洗干净，然后置于2.2mmol/L碳酸氢钠水溶液中浸泡2.5小时，室温晾干；
（3）丝胶蛋白预处理：将步骤（2）处理后的丝胶蛋白置于0.05mmol/L的碳酸钠水溶液中，然后转至高压灭菌锅中，121℃灭菌65分钟，其中丝胶蛋白与碳酸钠水溶液的质量比为1:2.2；
（4）丝胶蛋白透析：步骤（3）的产物离心后去上清，将上清液置于透析袋中，透析袋放置在双蒸水中，室温条件下透析36小时，每隔3小时换一次水，取透析后的丝胶蛋白置于6℃保存；
（5）复合水凝胶前体制备：将壳聚糖按质量比1:8加入2.8%的硝酸溶液中，磁力搅拌至完全溶解，加入步骤（4）收集的丝胶蛋白水溶液，壳聚糖与丝胶蛋白的摩尔比为1:1.2，磁力搅拌25分钟；
（6）成品：向步骤（5）的复合水凝胶前体中加入0.7倍体积的32mmol/L氯化钙水溶液，混匀后4℃保存。
将实施例1～3与对照例1制备获得的丝胶蛋白复合水凝胶进行性能检测，结果如下表所示：
实施例1 实施例2 实施例3 对照例1
平均孔径/μm 169.23 213.14 208.35 23.14
孔隙率/% 98.1 99.3 94.5 12.3
压缩强度/kPa 58.2 63.8 59.2 11.5
压缩模量/ kPa 1.98 2.34 2.12 9.28

Claims (8)

1.一种丝胶蛋白复合水凝胶的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
（1）透析袋预处理：将透析袋置于碳酸钠、EDTA和SDS的混合水溶液中浸泡12～24小时，然后煮沸12～20分钟，混合水溶液的pH为8.0～8.6，其中碳酸钠、EDTA和SDS的摩尔比为1～8:1～3:1～5，；采用双蒸水将透析袋漂洗至中性，再置于pH为8.0、摩尔浓度为1～2.5mmol/L的EDTA中煮沸3～8分钟，降至室温保存；
（2）丝胶蛋白初选：采用双蒸水将蚕茧清洗干净，然后置于1.5～3mmol/L碳酸氢钠水溶液中浸泡1～4小时，室温晾干；
（3）丝胶蛋白预处理：将步骤（2）处理后的丝胶蛋白置于0.03～0.06mmol/L的碳酸钠水溶液中，然后转至高压灭菌锅中，121℃灭菌50～80分钟，其中丝胶蛋白与碳酸钠水溶液的质量比为1:1.5～3；
（4）丝胶蛋白透析：步骤（3）的产物离心后去上清，将上清液置于透析袋中，透析袋放置在双蒸水中，室温条件下透析24～40小时，每隔3小时换一次水，取透析后的丝胶蛋白置于4～8℃保存；
（5）复合水凝胶前体制备：将壳聚糖按质量比1:5～12加入1～3.5%的硝酸溶液中，磁力搅拌至完全溶解，加入步骤（4）收集的丝胶蛋白水溶液，壳聚糖与丝胶蛋白的摩尔比为1:1～1.3，磁力搅拌15～30分钟；
（6）成品：向步骤（5）的复合水凝胶前体中加入0.2～1倍体积的12～40mmol/L氯化钙水溶液，混匀后4～8℃保存。
2.根据权利要求1所述的一种丝胶蛋白复合水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（1）透析袋预处理：将透析袋置于碳酸钠、EDTA和SDS的混合水溶液中浸泡19小时，然后煮沸18分钟，混合水溶液的pH为8.2，其中碳酸钠、EDTA和SDS的摩尔比为7:2:3；采用双蒸水将透析袋漂洗至中性，再置于pH为8.0、摩尔浓度为1.6mmol/L的EDTA中煮沸6分钟，降至室温保存。
3.根据权利要求1所述的一种丝胶蛋白复合水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（2）丝胶蛋白初选：采用双蒸水将蚕茧清洗干净，然后置于2.2mmol/L碳酸氢钠水溶液中浸泡2.5小时，室温晾干。
4.根据权利要求1所述的一种丝胶蛋白复合水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（3）丝胶蛋白预处理：将步骤（2）处理后的丝胶蛋白置于0.05mmol/L的碳酸钠水溶液中，然后转至高压灭菌锅中，121℃灭菌65分钟，其中丝胶蛋白与碳酸钠水溶液的质量比为1:2.2。
5.根据权利要求1所述的一种丝胶蛋白复合水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（4）丝胶蛋白透析：步骤（3）的产物离心后去上清，将上清液置于透析袋中，透析袋放置在双蒸水中，室温条件下透析36小时，每隔3小时换一次水，取透析后的丝胶蛋白置于6℃保存。
6.根据权利要求1所述的一种丝胶蛋白复合水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（5）复合水凝胶前体制备：将壳聚糖按质量比1:8加入2.8%的硝酸溶液中，磁力搅拌至完全溶解，加入步骤（4）收集的丝胶蛋白水溶液，壳聚糖与丝胶蛋白的摩尔比为1:1.2，磁力搅拌25分钟。
7.根据权利要求1所述的一种丝胶蛋白复合水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（6）成品：向步骤（5）的复合水凝胶前体中加入0.7倍体积的32mmol/L氯化钙水溶液，混匀后4℃保存。
8.权利要求1～7任一所述方法制备获得的丝胶蛋白复合水凝胶。
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