CN107880566B - 具有有序微沟槽结构的丝素蛋白-plga复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

具有有序微沟槽结构的丝素蛋白-plga复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有有序微沟槽结构的丝素蛋白‑PLGA复合材料及其制备方法和应用，包括丝素蛋白(SF)的提取和SF‑PLGA复合微沟槽结构的制备。该方法以提取自家蚕蚕茧的丝素蛋白以及人工合成的PLGA作为基质，制备聚合物混合溶液；通过溶液浇铸/模板刻蚀技术，形成具有微沟槽结构的天然‑合成高分子复合膜材料。通过改变PLGA共聚物的单体种类与配比、丝素蛋白与PLGA的用量比，可以制备不同组分的复合膜材料；通过调整模板的沟槽宽度、深度、间隔等参数，可以获得不同形貌的微沟槽结构。该材料具有生物相容性好、细胞响应性好、力学性能良好、降解行为高度可控、制备方法简单易行等特点，产物能满足生物医学应用的需求。

Description

具有有序微沟槽结构的丝素蛋白-PLGA复合材料及其制备方 法和应用
技术领域
本发明涉及一种具有有序微沟槽结构的丝素蛋白-PLGA复合材料及其制备方法和应用，具体涉及一种将天然高分子丝素蛋白与合成高分子PLGA进行混合后浇铸到模板表面刻蚀形成具有微沟槽结构的高分子复合膜材料的方法。本发明属于生物医用高分子材料领域。
背景技术
丝素蛋白(SF)提取自家养桑蚕的蚕茧。作为一种天然蛋白质，它具有良好的生物相容性、可降解性以及促进细胞黏附的特性，因此被广泛应用于组织工程、药物递释系统、手术缝合线等生物医学领域(Progress in Polymer Science, 2015, 46: 86)。然而，类似于大多数天然高分子，丝素蛋白也具有一个显著的性能缺陷，即降解速率快，难以控制，导致力学强度不佳。为了提高丝素蛋白作为一种生物材料的综合性能，拓宽其生物医学应用，基于丝素蛋白的复合材料的研究正在如火如荼地进行中(Progress in Polymer Science,2010, 35: 1093)。
人工合成的生物材料具有良好的力学性能，其降解速率也具有较好的可控性，但通常来说，合成高分子缺乏细胞特异性黏附位点。将疏水的合成高分子与亲水的丝素蛋白进行复合，不仅能够提高合成材料的生物相容性与细胞黏附性，增强材料与细胞的相互作用，同时也可以改善天然材料的力学性能。聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)是一种应用最为广泛的合成医用高分子，它是由乙交酯和丙交酯通过无规共聚得到。它具有良好的生物相容性、降解可调性、力学性能以及可加工性能，目前已经获得美国食品药品监督管理局(FDA)认证(Interface Focus, 2012, 2: 366)。将PLGA与丝素蛋白进行复合，能够取长补短，在生物材料领域具有良好的发展前景。
在均一的材料表面，细胞的分布随机性大，基本无规律可循。有序的微米及纳米沟槽结构能够引导细胞在材料表面的取向分布，为细胞迁移、分化等行为的研究提供了很好的手段，有望在组织修复中发挥重要的作用(ACS Nano, 2013, 7: 4785)。因此，以天然高分子丝素蛋白与合成高分子PLGA作为基质，构筑具有有序微沟槽结构的复合膜材料，对于面向组织修复和组织替代的新型生物材料的研发工作具有重要的意义和价值。
发明内容
针对天然高分子的降解速率过快、力学性能不足以及合成高分子的细胞响应性欠佳等缺点，本发明的目的在于提供一种具有有序微沟槽结构的丝素蛋白-PLGA复合材料及其制备方法，同时利用微沟槽结构能够引导细胞取向分布的优势。
本发明的再一目的在于：提供上述方法制备的产品。
本发明的又一目的在于：提供上述方法制备产品的应用。
为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：一种具有有序微沟槽结构的丝素蛋白-PLGA复合材料的制备方法，以蚕茧的丝素蛋白以及人工合成的PLGA作为基质，包括以下步骤：
(1) 丝素蛋白(SF)的提取
称取10 g的无水碳酸钠，溶解于2 L超纯水中，配制成5 g/L的Na2CO3水溶液，将20g家蚕生丝置于其中，加热煮沸30 min，取出蚕丝，用大量超纯水进行冲洗，同时充分撕扯蚕丝以冲去其间的丝胶，更换新的碳酸钠溶液，重复一次煮沸与清洗过程，将脱胶后的蚕丝置于鼓风干燥箱中在60 °C条件下过夜；
配制摩尔比为1:8:2的氯化钙/超纯水/乙醇三元溶剂，先将CaCl2加入超纯水中，加热至80°C，待其全部溶解后加入乙醇，将烘干后的蚕丝按一定的比例分块投入三元溶剂中，蚕丝与溶剂的比例为10% (w/v)，80°C条件下溶解后搅拌40 min；
待丝素溶液冷却至室温后，将其倒入透析袋中，在流动的超纯水中透析三天，以除去溶液中的无机盐和乙醇，将透析后的溶液进行抽滤，过滤掉不溶性杂质，将溶液置于-80°C超低温冰箱中过夜，然后在冻干机中冻干，得到固态的丝素蛋白；
(2) SF-PLGA复合微沟槽结构的制备
具有不同LA/GA配比的PLGA可以根据需要进行定制，具有不同微沟槽结构的硅片由中科院微系统所根据设计的掩膜版通过干法刻蚀制备得到，称取一定量的丝素蛋白以及PLGA，按一定的比例混合后，以六氟异丙醇为溶剂进行溶解，两种聚合物的总浓度保持5wt%不变，将硅片置于表面平整的培养皿中，有微沟槽结构的一面朝上，将聚合物溶液缓慢倾倒于硅片表面，覆盖住整个表面，用石蜡封口膜对培养皿进行密封，在上方开一个小孔用于溶剂的挥发，避免溶剂挥发过快导致材料表面出现褶皱，48 h之后，将聚合物与硅片剥离，得到带有微沟槽结构的SF-PLGA复合膜。
本发明以提取自家蚕蚕茧的丝素蛋白以及人工合成的PLGA作为基质，制备聚合物混合溶液；通过溶液浇铸/模板刻蚀技术，形成具有微沟槽结构的天然-合成高分子复合膜材料。通过改变PLGA共聚物的单体种类与配比、丝素蛋白与PLGA的用量比，可以制备不同组分的复合膜材料；通过调整模板的沟槽宽度、深度、间隔等参数，可以获得不同形貌的微沟槽结构。
所述的PLGA中的LA可以为消旋乳酸DLLA或者左旋乳酸LLA。
所述的PLGA的LA/GA摩尔比可以为90/10，85/15，80/20，75/25，70/30，65/35，60/40，55/45，50/50。
所述的丝素蛋白与PLGA的摩尔比为90:10 ~ 10:90。
所述的硅片的微沟槽宽度为0.2~20 μm。
所述的硅片的微沟槽深度为0.2~20 μm；
所述的硅片的微沟槽间隔为微沟槽宽度的2~10倍，微沟槽间隔为相邻微沟槽的中线之间的距离。
本发明提供一种具有有序微沟槽结构的丝素蛋白-PLGA复合材料，根据上述任一所述方法制备得到。该材料具有生物相容性好、细胞响应性好、力学性能良好、降解行为高度可控、制备方法简单易行等特点，产物能满足生物医学应用的需求。
本发明提供一种具有有序微沟槽结构的丝素蛋白-PLGA复合材料在生物医学领域的应用。
该材料具有生物相容性好、细胞响应性好、力学性能良好、降解行为高度可控、制备方法简单易行等特点，产物能满足生物医学应用的需求。
本发明的优点在于：
(1) 本发明以提取自家蚕蚕茧的丝素蛋白以及人工合成的PLGA作为基质，制备聚合物混合溶液；通过溶液浇铸/模板刻蚀技术，形成具有微沟槽结构的天然-合成高分子复合膜材料，所用原料的生物安全性高。
(2) 本发明制备的复合膜材料具有生物相容性好、细胞响应性好、力学性能良好、降解行为高度可控等特点。
(3) 本发明方法简便易行、可操作性强，能进一步满足临床应用和工业生产的需求。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。以下的实施例是对本发明的进一步说明，而不限制本发明的范围。
实施例1
称取10 g的无水碳酸钠，溶解于2 L超纯水中，配制成5 g/L的Na2CO3水溶液。将20g家蚕生丝置于其中，加热煮沸30 min。取出蚕丝，用大量超纯水进行冲洗，同时充分撕扯蚕丝以冲去其间的丝胶。更换新的碳酸钠溶液，重复一次煮沸与清洗过程。将脱胶后的蚕丝置于鼓风干燥箱中在60 °C条件下过夜。
配制摩尔比为1:8:2的氯化钙/超纯水/乙醇三元溶剂，先将CaCl2加入超纯水中，加热至80 °C，待其全部溶解后加入乙醇。将烘干后的蚕丝按一定的比例分块投入三元溶剂中，蚕丝与溶剂的比例为10% (w/v)，80 °C条件下溶解后搅拌40 min。
待丝素溶液冷却至室温后，将其倒入透析袋中，在流动的超纯水中透析三天，以除去溶液中的无机盐和乙醇。将透析后的溶液进行抽滤，过滤掉不溶性杂质。将溶液置于-80°C超低温冰箱中过夜，然后在冻干机中冻干，得到固态的丝素蛋白。
选择LA/GA摩尔比为85/15的PLGA作为共聚物（这里的LA为消旋乳酸DLLA）。通过干法刻蚀制备得到的硅片上的微沟槽结构参数为：宽5 μm，深5 μm，间隔10 μm。按照摩尔比30:70的比例分别称取丝素蛋白与PLGA并混合后，以六氟异丙醇为溶剂进行溶解，配制成总浓度为5 wt%的聚合物溶液。将硅片置于表面平整的培养皿中，有微沟槽结构的一面朝上，将聚合物溶液缓慢倾倒于硅片表面，覆盖住整个表面。用石蜡封口膜对培养皿进行密封，在上方开一个小孔用于溶剂的挥发，避免溶剂挥发过快导致材料表面出现褶皱。48 h之后，将聚合物与硅片剥离，得到带有微沟槽结构的SF-PLGA复合膜。
实施例2
称取10 g的无水碳酸钠，溶解于2 L超纯水中，配制成5 g/L的Na2CO3水溶液。将20g家蚕生丝置于其中，加热煮沸30 min。取出蚕丝，用大量超纯水进行冲洗，同时充分撕扯蚕丝以冲去其间的丝胶。更换新的碳酸钠溶液，重复一次煮沸与清洗过程。将脱胶后的蚕丝置于鼓风干燥箱中在60 °C条件下过夜。
配制摩尔比为1:8:2的氯化钙/超纯水/乙醇三元溶剂，先将CaCl2加入超纯水中，加热至80 °C，待其全部溶解后加入乙醇。将烘干后的蚕丝按一定的比例分块投入三元溶剂中，蚕丝与溶剂的比例为10% (w/v)，80 °C条件下溶解后搅拌40 min。
待丝素溶液冷却至室温后，将其倒入透析袋中，在流动的超纯水中透析三天，以除去溶液中的无机盐和乙醇。将透析后的溶液进行抽滤，过滤掉不溶性杂质。将溶液置于-80°C超低温冰箱中过夜，然后在冻干机中冻干，得到固态的丝素蛋白。
选择LA/GA摩尔比为75/25的PLGA作为共聚物（这里的LA为消旋乳酸DLLA）。通过干法刻蚀制备得到的硅片上的微沟槽结构参数为：宽10 μm，深1 μm，间隔50 μm。按照摩尔比50:50的比例分别称取丝素蛋白与PLGA并混合后，以六氟异丙醇为溶剂进行溶解，配制成总浓度为5 wt%的聚合物溶液。将硅片置于表面平整的培养皿中，有微沟槽结构的一面朝上，将聚合物溶液缓慢倾倒于硅片表面，覆盖住整个表面。用石蜡封口膜对培养皿进行密封，在上方开一个小孔用于溶剂的挥发，避免溶剂挥发过快导致材料表面出现褶皱。48 h之后，将聚合物与硅片剥离，得到带有微沟槽结构的SF-PLGA复合膜。
实施例3
称取10 g的无水碳酸钠，溶解于2 L超纯水中，配制成5 g/L的Na2CO3水溶液。将20g家蚕生丝置于其中，加热煮沸30 min。取出蚕丝，用大量超纯水进行冲洗，同时充分撕扯蚕丝以冲去其间的丝胶。更换新的碳酸钠溶液，重复一次煮沸与清洗过程。将脱胶后的蚕丝置于鼓风干燥箱中在60 °C条件下过夜。
配制摩尔比为1:8:2的氯化钙/超纯水/乙醇三元溶剂，先将CaCl2加入超纯水中，加热至80 °C，待其全部溶解后加入乙醇。将烘干后的蚕丝按一定的比例分块投入三元溶剂中，蚕丝与溶剂的比例为10% (w/v)，80 °C条件下溶解后搅拌40 min。
待丝素溶液冷却至室温后，将其倒入透析袋中，在流动的超纯水中透析三天，以除去溶液中的无机盐和乙醇。将透析后的溶液进行抽滤，过滤掉不溶性杂质。将溶液置于-80°C超低温冰箱中过夜，然后在冻干机中冻干，得到固态的丝素蛋白。
选择LA/GA摩尔比为50/50的PLGA作为共聚物（这里的LA为左旋乳酸LLA）。通过干法刻蚀制备得到的硅片上的微沟槽结构参数为：宽2 μm，深10 μm，间隔6 μm。按照摩尔比70:30的比例分别称取丝素蛋白与PLGA并混合后，以六氟异丙醇为溶剂进行溶解，配制成总浓度为5 wt%的聚合物溶液。将硅片置于表面平整的培养皿中，有微沟槽结构的一面朝上，将聚合物溶液缓慢倾倒于硅片表面，覆盖住整个表面。用石蜡封口膜对培养皿进行密封，在上方开一个小孔用于溶剂的挥发，避免溶剂挥发过快导致材料表面出现褶皱。48 h之后，将聚合物与硅片剥离，得到带有微沟槽结构的SF-PLGA复合膜。

Claims (9)

1.具有有序微沟槽结构的丝素蛋白-PLGA复合材料的制备方法，以蚕茧的丝素蛋白以及人工合成的PLGA作为基质，其特征在于包括以下步骤：
(1) 丝素蛋白(SF)的提取
称取10 g的无水碳酸钠，溶解于2 L超纯水中，配制成5 g/L的Na2CO3水溶液，将20 g家蚕生丝置于其中，加热煮沸30 min，取出蚕丝，用大量超纯水进行冲洗，同时充分撕扯蚕丝以冲去其间的丝胶，更换新的碳酸钠溶液，重复一次煮沸与清洗过程，将脱胶后的蚕丝置于鼓风干燥箱中在60℃条件下过夜；
配制摩尔比为1:8:2的氯化钙/超纯水/乙醇三元溶剂，先将CaCl2加入超纯水中，加热至80℃，待其全部溶解后加入乙醇，将烘干后的蚕丝按一定的比例分块投入三元溶剂中，蚕丝与溶剂的比例为10% (w/v)，80℃条件下溶解后搅拌40 min；
待丝素溶液冷却至室温后，将其倒入透析袋中，在流动的超纯水中透析三天，以除去溶液中的无机盐和乙醇，将透析后的溶液进行抽滤，过滤掉不溶性杂质，将溶液置于-80℃超低温冰箱中过夜，然后在冻干机中冻干，得到固态的丝素蛋白；
(2) SF-PLGA复合微沟槽结构的制备
具有不同LA/GA配比的PLGA根据需要进行定制，具有不同微沟槽结构的硅片由中科院微系统所根据设计的掩膜版通过干法刻蚀制备得到，称取一定量的丝素蛋白以及PLGA，按一定的比例混合后，以六氟异丙醇为溶剂进行溶解，两种聚合物的总浓度保持5 wt%不变，将硅片置于表面平整的培养皿中，有微沟槽结构的一面朝上，将聚合物溶液缓慢倾倒于硅片表面，覆盖住整个表面，用石蜡封口膜对培养皿进行密封，在上方开一个小孔用于溶剂的挥发，避免溶剂挥发过快导致材料表面出现褶皱，48 h之后，将聚合物与硅片剥离，得到带有微沟槽结构的SF-PLGA复合膜。
2.根据权利要求1所述具有有序微沟槽结构的丝素蛋白-PLGA复合材料的制备方法，其特征在于：所述的PLGA中的LA为消旋乳酸DLLA或者左旋乳酸LLA。
3.根据权利要求1或2所述具有有序微沟槽结构的丝素蛋白-PLGA复合材料的制备方法，其特征在于：所述的PLGA的LA/GA摩尔比为90/10，85/15，80/20，75/25，70/30，65/35，60/40，55/45或50/50。
4.根据权利要求1或2所述具有有序微沟槽结构的丝素蛋白-PLGA复合材料的制备方法，其特征在于：所述的丝素蛋白与PLGA的摩尔比为90:10 ~ 10:90。
5.根据权利要求1所述具有有序微沟槽结构的丝素蛋白-PLGA复合材料的制备方法，其特征在于：所述的硅片的微沟槽宽度为0.2~20 μm。
6.根据权利要求1或5所述具有有序微沟槽结构的丝素蛋白-PLGA复合材料的制备方法，其特征在于：所述的硅片的微沟槽深度为0.2~20 μm。
7.根据权利要求1或5所述具有有序微沟槽结构的丝素蛋白-PLGA复合材料的制备方法，其特征在于：所述的硅片的微沟槽间隔为微沟槽宽度的2~10倍，微沟槽间隔为相邻微沟槽的中线之间的距离。
8.一种具有有序微沟槽结构的丝素蛋白-PLGA复合材料，其特征在于根据权利要求1-7任一所述方法制备得到。
9.根据权利要求8所述具有有序微沟槽结构的丝素蛋白-PLGA复合材料用于复合膜材料的应用。
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