CN107446094A - 一种粘韧蛋白质水凝胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种粘韧蛋白质水凝胶及其制备方法，属于高分子水凝胶技术领域。本发明选用牛奶蛋白中的酪蛋白（干酪素）为原料，先用氢氧化钠溶液调节酪蛋白水溶液，并在分散装置中充分搅拌，使得酪蛋白完全溶于水中，然后将酪蛋白溶液与亲水性单体丙烯酰胺、化学交联剂N,N‑亚甲基双丙烯酰胺和引发剂过硫酸钾加入去离子水中，室温下搅拌至完全溶解，加入助剂四甲基乙二胺混合均匀后将配好的溶液直接倒入模具中，最后将模具放入烘箱中进行氧化还原反应，使酪蛋白与亲水性单体进行自由基聚合形成高分子聚合物水凝胶。酪蛋白是哺乳类动物包括母牛，羊和人奶中的主要蛋白质，具有良好的生物相容性，没有毒性，原料易得，成本较低。制备得到的水凝胶不但具有韧性而且具有粘性，可用于药物可控释放，以及药物敷料等领域。
Description
技术领域
本发明属于高分子水凝胶技术领域，具体涉及一种粘韧蛋白质水凝胶及其制备方法。
背景技术
水凝胶是一种以水为分散介质，具有网络交联结构的水溶性高分子材料，其中包含一部分疏水基团和亲水基团，其中亲水基团与水分子结合将水分子连接在网络内部，而疏水基团能够遇水膨胀形成交联聚合物。水凝胶具有良好的生物相容性，可用于生物医学领域以及药物传输体系中。
中国专利（CN 105111341A）描述了一种具有粘性的高力学强度纳米杂化水凝胶，该粘性水凝胶由丙烯酰胺或N-烷基取代丙烯酰胺衍生物在无极纳米交联剂锂藻土、聚乙烯醇和环糊精的水分散液中聚合而成；该粘性水凝胶的制备方法包括将无机纳米交联剂锂藻土和单体分散于水中，搅拌得到均匀透明的分散液；在反应混合液中加入聚乙烯醇并搅拌均匀，然后在反应混合液中加入环糊精搅拌均匀，最后加入引发剂，将反应液装入模具中并密封，置于10～25℃环境中反应12～48小时。此水凝胶的粘结强度为10kPa以上，但没有提到剥离力大小。
中国专利（CN 106565902 A）描述了一种蜗牛仿生粘性水凝胶，该水凝胶以蜗牛粘液中的尿囊素为主要成分之一，先经过丙烯酰氯改性，然后用乙醚沉淀后析出烘干后得到改性尿囊素，将改性尿囊素与亲水性丙烯酰胺和引发剂过硫酸钾加入去离子水中，水浴条件下搅拌至完全溶解，最后将混合溶液倒入模具中，放入烘箱中反应得到水凝胶。此水凝胶具有粘性，但没有提到其韧性强度。
干酪素，又称酪蛋白，是一种从牛乳及其制品中提取的酪蛋白制品。干酪素是一种蛋白聚合体，约占牛奶中蛋白总量的80%。干酪素及其制品具有较高的营养价值，能够促进人体对钙、铁等矿物质的吸收，酪蛋白中含有人体必需的8种氨基酸，为人的生长发育提供必需的氨基酸。酪蛋白是一种全价蛋白质，多功能的食品添加剂，广泛应用于各类食品、保健食品营养蛋白添加剂、增稠剂、食品稳定剂、乳化剂及各类饮料中。
发明内容
本发明的目的是提供了一种粘韧蛋白质水凝胶及其制备方法。
本发明选用牛奶蛋白中的酪蛋白为原料，用氢氧化钠溶液调节pH使得酪蛋白完全溶于水中，与亲水性单体丙烯酰胺和化学交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺通过自由基聚合方式得到具有粘韧性质的蛋白质水凝胶，得到的粘韧蛋白质水凝胶可以粘结到玻璃、铝、橡胶、聚四氟乙烯等表面上。
本发明所述的一种粘韧蛋白质水凝胶，是将直接购买得到的干酪素经过氢氧化钠溶液调节pH使得干酪素完全溶于水中，之后与亲水性单体丙烯酰胺和化学交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺通过自由基聚合方式得到水凝胶。聚合物通过干酪素与界面可以形成氢键作用、金属络合作用和疏水作用，从而得到了粘韧蛋白质水凝胶；所述的界面有玻璃、铝、橡胶和聚四氟乙烯等。
本发明所述的一种粘韧蛋白质水凝胶的制备方法，其步骤如下：
（1）干酪素的溶解
将干酪素溶于去离子水中，配制成质量浓度比为0.10～0.20g/mL的干酪素溶液，此时干酪素不溶于水中，用浓度为10M的氢氧化钠溶液调节pH至6.6～8.0并用分散机充分搅拌30～60min至完全溶解，之后放入超声波清洗机中超声1～2h去除气泡，得到干酪素水溶液，将溶液放入4℃冰箱中冷藏待用；
（2）水凝胶的制备
将干酪素水溶液、亲水性单体丙烯酰胺、化学交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺和引发剂过硫酸钾加入到去离子水中，在室温条件下搅拌至完全溶解，最后加入四甲基乙二胺助剂于混合溶液中，混合溶液中干酪素的质量浓度为1.5g/mL ，干酪素单体、丙烯酰胺亲水性单体、N,N-亚甲基双丙烯酰胺化学交联剂、过硫酸钾引发剂和四甲基乙二胺助剂的质量比为0～200：350～150：1.75～0.75：2：1.56，将配置好的溶液直接置于模具中，然后将模具置于30～45℃的烘箱中反应2～6h，反应后冷却到室温，最终得到粘韧蛋白质水凝胶，剥离力范围为12.7～383.2N/m。
本发明的有益效果：
本发明通过自由基聚合的方法制备了一种粘韧蛋白质水凝胶，该方法包括：干酪素水溶液通过氢氧化钠溶液调节pH完全溶解，超声去除气泡后放入4℃冰箱中冷藏待用。将溶解好的干酪素与亲水性单体丙烯酰胺、化学交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂过硫酸钾和助剂四甲基乙二胺加入到去离子水中，搅拌至混合均匀，然后将配置好的溶液直接置于模具中，最后将模具放在烘箱中进行反应，丙烯酰胺在化学交联剂作用下进行自由基聚合形成高分子聚合物。
本发明使用的干酪素属于一种牛奶蛋白，具有良好的生物相容性，并且没有毒性，生物可降解，制备得到的水凝胶不仅具有粘性，还具有韧性，可用于药物可控释放，药物敷料以及可穿戴设备等领域。
附图说明
图1是实施例1制备的粘韧蛋白质水凝胶样品的剥离力曲线。
图2是实施例2制备的粘韧蛋白质水凝胶样品的剥离力曲线。
图3是实施例3制备的粘韧蛋白质水凝胶样品的剥离力曲线。
图4是实施例4制备的粘韧蛋白质水凝胶样品的剥离力曲线。
图5是实施例5制备的粘韧蛋白质水凝胶样品的剥离力曲线。
具体实施方式
一种粘韧蛋白质水凝胶是通过将牛奶中的主要蛋白干酪素通过氢氧化钠调节溶液pH完全溶于水中，再与单体丙烯酰胺和化学交联剂在氧化还原条件下生成粘韧水凝胶。其制备方法的步骤和条件如以下实施例。
实施例1：一种粘韧蛋白质水凝胶制备方法的步骤和条件如下：
（1）干酪素的溶解
将9g 干酪素溶于60mL去离子水中，配制成质量浓度为1.5g/mL的干酪素溶液，此时干酪素不溶于水中，用浓度为10M的氢氧化钠溶液调节pH至6.6并用分散机充分搅拌30min至完全溶解，之后放入超声波清洗机中超声1h去除气泡，得到干酪素水溶液，将溶液放入4℃冰箱中冷藏待用；
（2）水凝胶的制备
将0mL（对应干酪素重量为0g）干酪素水溶液、3.5g丙烯酰胺、0.0175gN,N-亚甲基双丙烯酰胺和0.02g过硫酸钾加入到10mL去离子水中，在室温条件下搅拌至完全溶解，最后加入0.0156g四甲基乙二胺于上述混合溶液中，溶液中上述各物质的质量浓度分别为0 g/mL、0.35 g/mL、0.00175 g/mL、0.002 g/mL、0.00156 g/mL,将配制好的溶液直接置于模具中，所述的模具为硅胶板内置凹槽再通过玻璃板夹紧硅胶板制得，模具凹槽尺寸为150×20×6mm，使水凝胶在模具中成型，模具只是对水凝胶起到固定成型的作用，对实验结果没有影响。然后将模具置于30℃的烘箱中反应2h,反应后冷却到室温，最终得到粘韧蛋白质水凝胶。干酪素单体、丙烯酰胺亲水性单体、N,N-亚甲基双丙烯酰胺化学交联剂、过硫酸钾引发剂和四甲基乙二胺助剂的质量比为0：350：1.75：2：1.56。
制备的粘韧蛋白质水凝胶的剥离力测定方法：制备上下表面平整的水凝胶，水凝胶样条尺寸为150×20×6 mm，利用CT3质构仪进行剥离力测试，玻璃长度为60mm，测试速度为5mm/s。
实施例1中制备的蜗牛仿生粘性水凝胶剥离力最大值为12.7N/m。
实施例2：一种粘韧蛋白质水凝胶制备方法的步骤和条件如下：
(1)干酪素的溶解
将9g 干酪素溶于60mL去离子水中，配制成质量浓度为1.5g/mL的干酪素溶液，此时干酪素不溶于水中，用浓度为10M的氢氧化钠溶液调节pH至6.8并用分散机充分搅拌40min至完全溶解，之后放入超声波清洗机中超声1.5h去除气泡，得到干酪素水溶液，将溶液放入4℃冰箱中冷藏待用；
(2)水凝胶的制备
将1.67mL（对应干酪素重量为0.5g）干酪素水溶液、3g丙烯酰胺、0.015gN,N-亚甲基双丙烯酰胺和0.02g过硫酸钾加入到8.33mL去离子水中，在室温条件下搅拌至完全溶解，最后加入0.0156g四甲基乙二胺于上述混合溶液中，溶液中上述各物质的质量浓度分别为0.05g/mL、0.3 g/mL、0.0015 g/mL、0.002 g/mL、0.00156 g/mL,将配制好的溶液直接置于模具中，所述的模具为硅胶板内置凹槽再通过玻璃板夹紧硅胶板制得，模具凹槽尺寸为150×20×6mm，使水凝胶在模具中成型，模具只是对水凝胶起到固定成型的作用，对实验结果没有影响。然后将模具置于30℃的烘箱中反应2h,反应后冷却到室温，最终得到粘韧蛋白质水凝胶。干酪素单体、丙烯酰胺亲水性单体、N,N-亚甲基双丙烯酰胺化学交联剂、过硫酸钾引发剂和四甲基乙二胺助剂的质量比为50：300：1.5：2：1.56。
用实施例1的测定方法，实施例2中制备的蜗牛仿生粘性水凝胶剥离力最大值为54.77N/m。
实施例3：一种粘韧蛋白质水凝胶制备方法的步骤和条件如下：
(1)干酪素的溶解
将9g 干酪素溶于60mL去离子水中，配制成质量浓度为1.5g/mL的干酪素溶液，此时干酪素不溶于水中，用浓度为10M的氢氧化钠溶液调节pH至7.0并用分散机充分搅拌50min至完全溶解，之后放入超声波清洗机中超声1.5h去除气泡，得到干酪素水溶液，将溶液放入4℃冰箱中冷藏待用；
(2)水凝胶的制备
将3.33mL（对应干酪素重量为1g）干酪素水溶液、2.5g丙烯酰胺、0.0125gN,N-亚甲基双丙烯酰胺和0.02g过硫酸钾加入到6.67mL去离子水中，在室温条件下搅拌至完全溶解，最后加入0.0156g四甲基乙二胺于上述混合溶液中，溶液中上述各物质的质量浓度分别为0.1g/mL、0.25 g/mL、0.00125 g/mL、0.002 g/mL、0.00156 g/mL,将配制好的溶液直接置于模具中，所述的模具为硅胶板内置凹槽再通过玻璃板夹紧硅胶板制得，模具凹槽尺寸为150×20×6mm，使水凝胶在模具中成型，模具只是对水凝胶起到固定成型的作用，对实验结果没有影响。然后将模具置于30℃的烘箱中反应2h,反应后冷却到室温，最终得到粘韧蛋白质水凝胶。干酪素单体、丙烯酰胺亲水性单体、N,N-亚甲基双丙烯酰胺化学交联剂、过硫酸钾引发剂和四甲基乙二胺助剂的质量比为100：250：1.25：2：1.56。
用实施例1的测定方法，实施例3中制备的蜗牛仿生粘性水凝胶剥离力最大值为72.8N/m。
实施例4：一种粘韧蛋白质水凝胶制备方法的步骤和条件如下：
(1)干酪素的溶解
将9g 干酪素溶于60mL去离子水中，配制成质量浓度为1.5g/mL的干酪素溶液，此时干酪素不溶于水中，用浓度为10M的氢氧化钠溶液调节pH至6.6并用分散机充分搅拌60min至完全溶解，之后放入超声波清洗机中超声1h去除气泡，得到干酪素水溶液，将溶液放入4℃冰箱中冷藏待用；
(2)水凝胶的制备
将5mL（对应干酪素重量为1.5g）干酪素水溶液、2g丙烯酰胺、0.01gN,N-亚甲基双丙烯酰胺和0.02g过硫酸钾加入到5mL去离子水中，在室温条件下搅拌至完全溶解，最后加入0.0156g四甲基乙二胺于上述混合溶液中，溶液中上述各物质的质量浓度分别为0.15 g/mL、0.2 g/mL、0.001 g/mL、0.002 g/mL、0.00156 g/mL,将配制好的溶液直接置于模具中，所述的模具为硅胶板内置凹槽再通过玻璃板夹紧硅胶板制得，模具凹槽尺寸为150×20×6mm，使水凝胶在模具中成型，模具只是对水凝胶起到固定成型的作用，对实验结果没有影响。然后将模具置于30℃的烘箱中反应2h,反应后冷却到室温，最终得到粘韧蛋白质水凝胶。干酪素单体、丙烯酰胺亲水性单体、N,N-亚甲基双丙烯酰胺化学交联剂、过硫酸钾引发剂和四甲基乙二胺助剂的质量比为150：200：1：2：1.56。
用实施例1的测定方法，实施例4中制备的蜗牛仿生粘性水凝胶剥离力最大值为383.2N/m。
实施例5：一种粘韧蛋白质水凝胶制备方法的步骤和条件如下：
(1)干酪素的溶解
将9g 干酪素溶于60mL去离子水中，配制成质量浓度为1.5g/mL的干酪素溶液，此时干酪素不溶于水中，用浓度为10M的氢氧化钠溶液调节pH至8.0并用分散机充分搅拌60min至完全溶解，之后放入超声波清洗机中超声2h去除气泡，得到干酪素水溶液，将溶液放入4℃冰箱中冷藏待用；
(2)水凝胶的制备
将6.67mL（对应干酪素重量为2g）干酪素水溶液、1.5g丙烯酰胺、0.0075gN,N-亚甲基双丙烯酰胺和0.02g过硫酸钾加入到3.33mL去离子水中，在室温条件下搅拌至完全溶解，最后加入0.0156g四甲基乙二胺于上述混合溶液中，溶液中上述各物质的质量浓度分别为0.2g/mL、0.15 g/mL、0.00075 g/mL、0.002 g/mL、0.00156 g/mL,将配制好的溶液直接置于模具中，所述的模具为硅胶板内置凹槽再通过玻璃板夹紧硅胶板制得，模具凹槽尺寸为150×20×6mm，使水凝胶在模具中成型，模具只是对水凝胶起到固定成型的作用，对实验结果没有影响。然后将模具置于30℃的烘箱中反应2h,反应后冷却到室温，最终得到粘韧蛋白质水凝胶。干酪素单体、丙烯酰胺亲水性单体、N,N-亚甲基双丙烯酰胺化学交联剂、过硫酸钾引发剂和四甲基乙二胺助剂的质量比为200：150：0.75：2：1.56。
用实施例1的测定方法，实施例5中制备的蜗牛仿生粘性水凝胶剥离力最大值为205.2N/m。
Claims (2)
1.一种粘韧蛋白质水凝胶的制备方法，其步骤如下：
干酪素的溶解
将干酪素溶于去离子水中，配制成质量浓度比为0.10～0.20g/mL的干酪素溶液，此时干酪素不溶于水中，用浓度为10M的氢氧化钠溶液调节pH至6.6～8.0并用分散机充分搅拌30～60min至完全溶解，之后放入超声波清洗机中超声1～2h去除气泡，得到干酪素水溶液，将溶液放入4℃冰箱中冷藏待用；
水凝胶的制备
将干酪素水溶液、亲水性单体丙烯酰胺、化学交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺和引发剂过硫酸钾加入到去离子水中，在室温条件下搅拌至完全溶解，最后加入四甲基乙二胺助剂于混合溶液中，混合溶液中干酪素的质量浓度为1.5g/mL ，干酪素单体、丙烯酰胺亲水性单体、N,N-亚甲基双丙烯酰胺化学交联剂、过硫酸钾引发剂和四甲基乙二胺助剂的质量比为0～200：350～150：1.75～0.75：2：1.56，将配置好的溶液直接置于模具中，然后将模具置于30～45℃的烘箱中反应2～6h，反应后冷却到室温，最终得到粘韧蛋白质水凝胶，剥离力范围为12.7～383.2N/m。
2.一种粘韧蛋白质水凝胶，其特征在于：是由权利要求1所诉的方法制备得到。
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