CN107118359A - 光固化水凝胶及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光固化水凝胶的制备方法，包括以下步骤：将丝素蛋白水溶液与核黄素水溶液混匀后得到复合溶液；复合溶液经紫外光照射后固化，得到光固化水凝胶。本发明还提供了一种采用上述方法所制备的光固化水凝胶。本发明以紫外光照射含有丝素蛋白和核黄素的溶液，促使核黄素激发形成活性自由基，诱导丝素蛋白大分子基团间产生化学交联，从而制得一种透明度高，回弹性好的新型丝素蛋白水凝胶。

Description

光固化水凝胶及其制备方法
技术领域
本发明涉及水凝胶材料领域，尤其涉及一种光固化水凝胶及其制备方法。
背景技术
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。蚕丝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。
核黄素(又称维生素B2)，是构成生物体内氧化还原过程所必需的黄素辅酶的主要活性基因，能以自由或共轭形式广泛分布在人体组织器官中，被称为“联系生物体内单电子还原与双电子还原的桥梁”。核黄素对生物生长发育起重要作用，主要应用于临床口角炎、舌炎、口内炎、肛门炎、结膜炎及脂溢性皮炎等缺乏维生素所引起的病症。然而，近年最新研究认为核黄素还有利尿消肿、防治肿瘤、降低心脑血管病的功效。
生物体中许多组织具有水凝胶结构，水凝胶材料的透气性、透离子性、蛋白质的沉积状况都会直接影响材料的生物医学性能，水凝胶的结构与性能是影响其在生物体内应用效果的主要因素。应用于生物医学领域的水凝胶材料(如角膜接触镜材料、人工晶状体等)既要求材料具有较高的力学强度、溶胀度和弹性，又要求其具有很高的透明性。目前，因为角膜捐献的严重匮乏，组织工程技术正积极寻求能代替角膜的生物材料。而丝素蛋白因其良好的生物相容性和较好的透光性，被认为是人工角膜的极佳材料。
中国发明专利(申请号：201510207697.4)公开了一种仿软骨细胞外基质可注射水凝胶的制备方法，采用紫外光聚合技术，以甲基丙烯酰化丝素蛋白和马来酰化甲壳胺为原料，然后制备出仿软骨细胞外基质可注射水凝胶，该水凝胶虽然由模拟软骨细胞外基质的主要胶原蛋白和糖胺聚糖的全天然高分子构成，但是加入了甲苯以及三乙胺等化学物质，使得具有一定毒性。中国发明专利(申请号：201410547861.1)公开了一种复合丝素蛋白水凝胶及其制备方法，将剪碎的蚕茧加入碳酸钠溶液中，搅拌过滤，用去离子水清洗，真空干燥，用氯化钙溶解，然后透析过滤，得到的丝素蛋白溶液中加入不同含量的壳聚糖、聚乙烯醇、丙烯酸乙酯和海藻酸钠进行超声处理得到一种复合丝素蛋白水凝胶，该水凝胶透光性能较差，并且含有较多的小分子有毒物质，不能用于医用生物材料方面的研究。中国发明专利(申请号：201610470678.5)公开了另一种丝素蛋白互穿网络水凝及其制备方法，通过辣根过氧化物酶催化N-乙烯基吡咯烷酮单体发生聚合反应，生成聚乙烯吡咯烷酮并与丝素蛋白大分子发生分子链缠结，在一定条件下形成以无规卷曲结构为主的互穿网络(IPN)水凝胶，该丝素蛋白水凝胶材料具有高强度、弹性和透明度可作为高分子材料用于角膜修复。但是N-乙烯基吡咯烷酮单体有可能不完全反映，所得到的丝素蛋白水凝胶材料可能具有一定的细胞毒性，对细胞相容性的研究会产生一定影响。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种光固化水凝胶及其制备方法，本发明采用简单方法，制备了一种透明度高，回弹性好的新型丝素蛋白水凝胶。
本发明提供了一种光固化水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将丝素蛋白水溶液与核黄素水溶液混匀后得到复合溶液；
(2)复合溶液经紫外光照射5-60min后固化，得到光固化水凝胶。
进一步地，在步骤(1)中，丝素蛋白水溶液的浓度为10-200g/L。
进一步地，在步骤(1)中，核黄素水溶液的浓度为0.002-0.2mmol/L。核黄素作为催化剂，在紫外光下诱导氧气形成自由基，从而引发大分子自由基交联。浓度太大，会造成水凝胶颜色太深，透明度下降。
进一步地，在步骤(2)中，紫外光的波长为360-380nm。上述波长为核黄素的吸光波长。
进一步地，在步骤(2)中，紫外光的照射强度为10-60mW。照射强度需要适中，强度太低没有自由基，强度太高，产生过量自由基，在溶液表面就凝固，造成整个反应体系不均匀。
进一步地，在步骤(2)中，紫外光的光照时间为10-40min。光照时间太长，会延误使用时的病人治疗时机，光照时间太短，来不及形成凝胶。
进一步地，在步骤(2)中，紫外光的光束大小为8-20mm。
进一步地，在步骤(2)中，紫外光的照射距离为1-10cm。照射距离太长，会造成较多的能量损耗。
进一步地，在步骤(2)中，丝素蛋白占光固化水凝胶干重的95-99％。
进一步地，在步骤(2)中，将复合溶液在不同形状的模具进行紫外光照射，能够得到具有不同形状的光固化水凝胶。
进一步地，在步骤(2)中，光固化水凝胶中丝素蛋白含固率为10g/L～100g/L，核黄素的终浓度为0.004mM～2mM。
进一步地，在步骤(2)中，光固化水凝胶在压缩率为80％时，其压缩强度为10-30kPa。在压缩至80％时，本发明的水凝胶不发生破裂。
进一步地，在步骤(2)中，光固化水凝胶无色透明，其透光率大于80％。本发明采用低浓度核黄素可形成无色透明的水凝胶。
进一步地，在步骤(2)中，光固化水凝胶的透光率大于80％。
本发明还提供了一种采用上述制备方法所制备的光固化水凝胶。
采用本发明的方法，在360-380nm波长紫外线的作用下，核黄素分子被激发到三重态，产生以单线态为主的活性氧族，活性氧族可与各种基团发生自由基发应，诱导丝素蛋白大分子之间形成各种共价键交联，从而使丝蛋白分子形成一种高强度、弹性和透明度的水凝胶，这种水凝胶可作为医用高分子材料。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
(1)通过加入生物活性分子核黄素，采用紫外光引发反应制备丝素蛋白凝胶，不引入化学交联剂，能够保持丝素蛋白优良的生物相容性，为生物医学领域提供一种新型材料。
(2)基于核黄素和丝素蛋白制备的光固化水凝胶结构稳定，短时间内即可形成凝胶，且通过对照射强度、照射时间以及照射距离的控制可实现凝胶形成时间的控制。
(3)基于核黄素和丝素蛋白制备的光固化水凝胶具有优良的透光性，优良的压缩强度、压缩百分比和压缩回弹性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的水凝胶的电镜照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
(1)丝素蛋白水溶液的制备：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-碳酸钠缓冲溶液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，取出蚕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15:100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3-4天，过滤得到丝素蛋白水溶液，通过烘干称重计算得到丝素蛋白水溶液的浓度，并放置于4℃冰箱中备用。
(2)基于核黄素/丝素蛋白的光固化水凝胶的制备：将浓度为0.2mmol/L的核黄素水溶液与浓度为20mg/ml的丝素蛋白水溶液混合均匀，使丝素蛋白溶液终浓度为10g/L，核黄素终浓度为0.005mmol/L。取适量混合溶液放置在紫外灯下进行辐照，紫外光的波长为360-380nm，紫外光的照射强度为35mW，紫外光的照射时间为10min，紫外光的光束大小为8mm，紫外光的照射距离为1cm。得到基于核黄素/丝素蛋白的光固化水凝胶。
(3)将形成的水凝胶放在37℃恒温培养箱中形成平衡24h，测试其压缩强度与模量以及透光率，结果见表1。
对本实施例制备的水凝胶进行表征，结果如图1所示。图1表明，凝胶比较均匀，孔径在10-20微米之间，且凝胶内部的孔径比较均匀，使得在使用时，其他物质容易进出水凝胶。
实施例2
(1)丝素蛋白水溶液的制备：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-碳酸钠缓冲溶液4000毫升，将茧壳放入缓冲溶液中于98～100℃煮三次，每次处理30分钟再用去离子水漂洗以去除生丝中的丝胶。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15:100，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3-4天，用脱脂棉过滤得到丝素蛋白水溶液，通过烘干称重计算得到丝素蛋白水溶液的质量分数并放置于4℃冰箱中备用。
(2)基于核黄素/丝素蛋白的光固化水凝胶的制备：将浓度为0.2mmol/L的核黄素水溶液与浓度为30g/L的丝素蛋白水溶液混合均匀，使丝素蛋白水溶液的终浓度为20g/L，核黄素水溶液的终浓度为0.03mmol/L。取适量混合溶液放置在紫外灯下进行辐照，紫外光的波长为360-380nm纳米，紫外光的照射强度为35mW，紫外光的照射时间为20min，紫外光的光束大小为10mm，紫外光的照射距离为2cm。得到基于核黄素/丝素蛋白的光固化水凝胶。
(3)将形成的水凝胶放在37℃恒温培养箱中形成平衡24h，测试其压缩强度与模量以及透光率，结果见表1。
实施例3
(1)丝素蛋白水溶液的制备：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-碳酸钠缓冲溶液4000毫升，将茧壳放入缓冲溶液中于98～100℃煮三次，每次处理30分钟再用去离子水漂洗以去除生丝中的丝胶。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15:100，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3-4天，用脱脂棉过滤得到丝素蛋白水溶液，通过烘干称重计算得到丝素蛋白水溶液的质量分数并放置于4℃冰箱中备用。
(2)基于核黄素/丝素蛋白的光固化水凝胶的制备：将浓度为0.2mmol/L的核黄素水溶液与浓度为40g/L的丝素蛋白水溶液混合均匀，使丝素蛋白水溶液的终浓度为30g/L，核黄素水溶液的终浓度为0.02mmol/L。取适量混合溶液放置在紫外灯下进行辐照，紫外光的波长为360-380nm纳米，紫外光的照射强度为35mW，紫外光的照射时间为30min，紫外光的光束大小为12mm，紫外光的照射距离为3cm。得到基于核黄素/丝素蛋白的光固化水凝胶。
(3)将形成的水凝胶放在37℃恒温培养箱中形成平衡24h，测试其压缩强度与模量以及透光率，结果见表1。
实施例4
(1)丝素蛋白水溶液的制备：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-碳酸钠缓冲溶液4000毫升，(在不锈钢容器中加入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15:100，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3-4天，用脱脂棉过滤得到丝素蛋白水溶液，通过烘干称重计算得到丝素蛋白水溶液的质量分数并放置于4℃冰箱中备用。
(2)基于核黄素/丝素蛋白的光固化水凝胶的制备：将浓度为0.2mmol/L的核黄素水溶液与浓度为50g/L的丝素蛋白水溶液混合均匀，使丝素蛋白水溶液的终浓度为40g/L，核黄素水溶液的终浓度为0.04mmol/L。取适量混合溶液放置在紫外灯下进行辐照，紫外光的波长为360-380nm纳米，紫外光的照射强度为35mW，紫外光的照射时间为40min，紫外光的光束大小为15mm，紫外光的照射距离为4cm。得到基于核黄素/丝素蛋白的光固化水凝胶。
(3)将形成的水凝胶放在37℃恒温培养箱中形成平衡24h，测试其压缩强度与模量以及透光率，结果见表1。
实施例5
(1)丝素蛋白水溶液的制备：称取80g家蚕茧壳，配置质量分数为0.01M pH＝9.5的碳酸氢钠-碳酸钠缓冲溶液4000毫升，将茧壳放入缓冲溶液中于98～100℃煮三次，每次处理30 分钟再用去离子水漂洗以去除生丝中的丝胶。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15:100，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 3-4天，用脱脂棉过滤得到丝素蛋白水溶液，通过烘干称重计算得到丝素蛋白水溶液的质量分数并放置于4℃冰箱中备用。
(2)基于核黄素/丝素蛋白的光固化水凝胶的制备：将浓度为0.2mmol/L的核黄素水溶液与浓度为60g/L的丝素蛋白水溶液混合均匀，使丝素蛋白水溶液的终浓度为50g/L，核黄素水溶液的终浓度为0.1mmol/L。取适量混合溶液放置在紫外灯下进行辐照，紫外光的波长为360-380nm纳米，紫外光的照射强度为35mW，紫外光的照射时间为40min，紫外光的光束大小为20mm，紫外光的照射距离为10cm。得到基于核黄素/丝素蛋白的光固化水凝胶。
(3)将形成的水凝胶放在37℃恒温培养箱中形成平衡24h，测试其压缩强度与模量以及透光率，结果见表1。
表1本发明制备的水凝胶的物理性能测试结果
样品 压缩率(％) 压缩强度(kPa) 透光率(％)
实施例1 80 9.63 95
实施例2 80 15.18 96
实施例3 80 20.53 94
实施例4 80 16.77 89
实施例5 80 13.7 80
从表1可以看出，采用本发明的方法所制备出的水凝胶，在压缩至80％时，仍未发生破裂，具有较强的抗压缩性能。改变光照条件，可调节其物理性能，其压缩强度可在9-20kPa 之间调节，具有足够高的强度使其适用于生物医用领域；透光率均在80％以上，具有良好的透光性，适用于需要透明度高的生物应用领域，比如角膜的修复。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光固化水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将丝素蛋白水溶液与核黄素水溶液混匀后得到复合溶液；
(2)所述复合溶液经紫外光照射后固化，得到所述光固化水凝胶。
2.根据权利要求1所述的光固化水凝胶的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述丝素蛋白水溶液的浓度为10-200g/L。
3.根据权利要求1所述的光固化水凝胶的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述核黄素水溶液的浓度为0.002-0.2mmol/L。
4.根据权利要求1所述的光固化水凝胶的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述紫外光的波长为360-380nm。
5.根据权利要求1所述的光固化水凝胶的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述紫外光的照射强度为10-60mW。
6.根据权利要求1所述的光固化水凝胶的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述紫外光的光照时间为10-40min。
7.根据权利要求1所述的光固化水凝胶的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述紫外光的照射距离为1-10cm。
8.根据权利要求1所述的光固化水凝胶的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，丝素蛋白占所述光固化水凝胶干重的95-99％。
9.根据权利要求1所述的光固化水凝胶的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述光固化水凝胶在压缩率为80％时，其压缩强度为10-30kPa。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的制备方法所制备的光固化水凝胶。
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