CN108210985A - 一种基于人源胶原蛋白的高强度医用水凝胶及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于人源胶原蛋白的高强度医用水凝胶及其制备方法，其特点是首先以高碘酸钠为选择性氧化剂对β‑环糊精实施开环氧化，制备得到双醛β‑环糊精，再采用赖氨酰氧化酶对人源胶原蛋白进行交联，制备得到酶促自交联人源胶原蛋白，随后向酶促自交联人源胶原蛋白溶液加入双醛β‑环糊精，以分子自组装为凝胶构建方法，制备得到了一种基于人源胶原蛋白的高强度医用水凝胶，该水凝胶材料具有良好的生物相容性、可生物降解性和生物安全性，又具有较好的力学强度，可用作止血材料、组织工程支架、高级敷料、药物载体材料等。

Description

一种基于人源胶原蛋白的高强度医用水凝胶及其制备方法
技术领域
本发明属于生物医用材料技术领域，涉及了一种基于人源胶原蛋白的高强度医用水凝胶及其制备方法。
背景技术
水凝胶是一种由物理键或化学键键合的亲水高分子聚合物或胶体粒子和大量水构成具有三维的空间网状结构的一类高分子材料。水凝胶在水溶液溶胀但不溶解使其基本结构骨架稳定性较高，且其内部具有稠密的三维网络空隙结构，对水蒸气和气体有良好透过率，能够为细胞长入、生长、增值等提供基本生长环境，更为重要的是，水凝胶为伤口愈合提供了湿性环境，符合伤口湿性愈合理论，因此被广泛应用于创伤敷料、生物胶黏剂、组织工程支架材料、给药载体材料等医用领域。凭借优良的生物活性、诱导组织再生能力、生物可降解性等，胶原类水凝胶已成为目前的研究热点。然而，动物源胶原被发现存在病毒隐患、免疫排异性等缺点，影响了其的生物医学应用。近年来，利用基因重组技术制备人源胶原蛋白，解决了传统动物源胶原存在的生物安全性问题，能够成为动物源胶原的替代材料，目前已被应用于止血材料、组织工程材料、高级敷料等生物医用材料研发中。在实际应用中发现胶原类水凝胶仍存在凝胶强度差、生物降解性能不适配等的先天缺陷，极大地限制了其的医学应用，因此，亟需开发一类具有高强度、可控降解的胶原类水凝胶。
综上所述，本发明为了解决目前动物源胶原可能存在的病毒隐患、免疫排异性等隐患，以人源胶原蛋白为原料，从根源上保证了材料的生物安全性；同时，为解决胶原类水凝胶存在的凝胶强度差、生物降解性能不适配等的缺陷，以双醛β-环糊精和赖氨酰氧化酶为生物型交联剂，以分子自组装为凝胶构建方法，制备得到了一种基于人源胶原蛋白的高强度医用水凝胶，该水凝胶材料具有良好的生物相容性、可生物降解性和生物安全性等优良性能，又兼具较好的力学强度，可用作止血材料、组织工程支架、高级敷料、药物载体材料等。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于人源胶原蛋白的高强度医用水凝胶。该水凝胶具有良好的生物相容性、可生物降解性等优良性能，又兼具较好的力学强度，生物活性优异，能显著促进组织创面愈合和修复，可用作高级敷料、组织工程支架、止血材料等生物医用材料。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于人源胶原蛋白的高强度医用水凝胶的制备方法，首先以高碘酸钠为选择性氧化剂对β-环糊精实施开环氧化，制备得到双醛β-环糊精，再采用赖氨酰氧化酶对人源胶原蛋白进行交联，制备得到酶促自交联人源胶原蛋白，随后向酶促自交联人源胶原蛋白溶液加入双醛β-环糊精，以分子自组装为凝胶构建方法，制备得到了一种基于人源胶原蛋白的高强度医用水凝胶。具体步骤包括：
（1）双醛β-环糊精的制备：取1重量份β-环糊精加入到50～200体积pH为7.4的磷酸缓冲液中，室温下搅拌至溶液完全澄清，配制成β-环糊精水溶液；接着将0.5～1.5重量份高碘酸钠同样溶解到50～100体积pH为7.4的磷酸缓冲液中，室温下搅拌至完全溶解，配制成高碘酸钠溶液；再将高碘酸钠溶液缓慢加入到β-环糊精水溶液，4～10℃下避光搅拌反应48～96h，待反应结束后，加入4～20体积聚乙二醇终止反应，室温下搅拌30min后，使用截留量为300～500Da的透析袋在去离子水中透析3～5天，最后冷冻干燥制备得到双醛β-环糊精；
（2）酶促自交联人源胶原蛋白的制备：将人源胶原蛋白加入到pH为7.4的磷酸缓冲液中，4～10℃下缓慢搅拌至完全溶解，配制成浓度为10～100mg/ml的人源胶原蛋白溶液；接着将0.05～1重量份赖氨酰氧化酶加入到100体积人源胶原蛋白溶液中，37℃下缓慢搅拌反应48～96h，制备得到酶促自交联人源胶原蛋白溶液；
（3）基于人源胶原蛋白的高强度医用水凝胶的制备：向步骤（2）所得酶促自交联人源胶原蛋白溶液中加入双醛β-环糊精，控制双醛β-环糊精用量为人源胶原蛋白质量的5%～20%，4～10℃下缓慢搅拌0.5～12h，再置于37℃下恒温5～120min，制备得到基于人源胶原蛋白的高强度医用水凝胶。
本技术与现有技术相比，具有如下优点：
（1）与已有报道的胶原类水凝胶不同，本发明以人源胶原蛋白为原料，从根源上保证了材料的生物安全性，同时，人源胶原蛋白同样具有优异的生物活性，保证了水凝胶材料的功能性；
（2）本发明为首次使用双醛β-环糊精交联改性人源胶原蛋白，双醛β-环糊精具有很高的化学反应活性、水溶性好等特点，能够与人源胶原蛋白形成席夫碱共价键结合，可显著提升人源胶原蛋白的力学性能、生物降解性、结构稳定性，同时还发现双醛β-环糊精能够促进人源胶原蛋白的分子自组装行为，加速凝胶化；
（3）本发明使用赖氨酰氧化酶催化人源胶原蛋白形成自交联，同样能够在不影响人源胶原蛋白优异的生物活性前提下，显著提升人源胶原蛋白的力学性能和生物降解性，同时赖氨酰氧化酶也能促进人源胶原蛋白的分子自组装行为；
（4）本发明利用协同理论，采用双醛β-环糊精和赖氨酰氧化酶两种生物交联剂协同交联改性人源胶原蛋白，二者发挥正协同作用，能够显著改善人源胶原蛋白水凝胶的力学强度和生物降解性；此外，采用以分子自组装为凝胶构建方法，能够特性设计水凝胶中人源胶原蛋白的微观形貌与三维结构，使其更仿生胞外基质。
具体实施方式
下面通过实施对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，而不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出非本质的改进和调整。
在下述实施例中，人源胶原蛋白为陕西慧康生物科技有限责任公司的产品；β-环糊精和赖氨酰氧化酶均为市售；制得的基于人源胶原蛋白的高强度医用水凝胶的力学强度和生物降解性可通过调整生物交联剂的用量及改性条件来有效控制。
实施例1
（1）双醛β-环糊精的制备：取1重量份β-环糊精加入到50体积pH为7.4的磷酸缓冲液中，室温下搅拌至溶液完全澄清，配制成β-环糊精水溶液；接着将0.5重量份高碘酸钠同样溶解到100体积pH为7.4的磷酸缓冲液中，室温下搅拌至完全溶解，配制成高碘酸钠溶液；再将高碘酸钠溶液缓慢加入到β-环糊精水溶液，4℃下避光搅拌反应96h，待反应结束后，加入20体积聚乙二醇终止反应，室温下搅拌30min后，使用截留量为300Da的透析袋在去离子水中透析5天，最后冷冻干燥制备得到双醛β-环糊精；
（2）酶促自交联人源胶原蛋白的制备：将人源胶原蛋白加入到pH为7.4的磷酸缓冲液中，4℃下缓慢搅拌至完全溶解，配制成浓度为10mg/ml的人源胶原蛋白溶液；接着0.05重量份赖氨酰氧化酶加入到100体积人源胶原蛋白溶液中，37℃下缓慢搅拌反应48h，制备得到酶促自交联人源胶原蛋白溶液；
（3）基于人源胶原蛋白的高强度医用水凝胶的制备：向步骤（2）所得酶促自交联人源胶原蛋白溶液中加入双醛β-环糊精，控制双醛β-环糊精用量为人源胶原蛋白质量的5%，4℃下缓慢搅拌0.5h，再置于37℃下恒温5min，制备得到基于人源胶原蛋白的高强度医用水凝胶。
实施例2
（1）双醛β-环糊精的制备：取1重量份β-环糊精加入到100体积pH为7.4的磷酸缓冲液中，室温下搅拌至溶液完全澄清，配制成β-环糊精水溶液；接着将1.0重量份高碘酸钠同样溶解到80体积pH为7.4的磷酸缓冲液中，室温下搅拌至完全溶解，配制成高碘酸钠溶液；再将高碘酸钠溶液缓慢加入到β-环糊精水溶液，6℃下避光搅拌反应72h，待反应结束后，加入10体积聚乙二醇终止反应，室温下搅拌30min后，使用截留量为400Da的透析袋在去离子水中透析4天，最后冷冻干燥制备得到双醛β-环糊精；
（2）酶促自交联人源胶原蛋白的制备：将人源胶原蛋白加入到pH为7.4的磷酸缓冲液中，6℃下缓慢搅拌至完全溶解，配制成浓度为50mg/ml的人源胶原蛋白溶液；接着将0.5重量份赖氨酰氧化酶加入到100体积人源胶原蛋白溶液中，37℃下缓慢搅拌反应72h，制备得到酶促自交联人源胶原蛋白溶液；
（3）基于人源胶原蛋白的高强度医用水凝胶的制备：向步骤（2）所得酶促自交联人源胶原蛋白溶液中加入双醛β-环糊精，控制双醛β-环糊精用量为人源胶原蛋白质量的10%，60℃下缓慢搅拌5h，再置于37℃下恒温60min，制备得到基于人源胶原蛋白的高强度医用水凝胶。
实施例3
（1）双醛β-环糊精的制备：取1重量份β-环糊精加入到200体积pH为7.4的磷酸缓冲液中，室温下搅拌至溶液完全澄清，配制成β-环糊精水溶液；接着将1.5重量份高碘酸钠同样溶解到50体积pH为7.4的磷酸缓冲液中，室温下搅拌至完全溶解，配制成高碘酸钠溶液；再将高碘酸钠溶液缓慢加入到β-环糊精水溶液，10℃下避光搅拌反应48h，待反应结束后，加入4体积聚乙二醇终止反应，室温下搅拌30min后，使用截留量为500Da的透析袋在去离子水中透析3天，最后冷冻干燥制备得到双醛β-环糊精；
（2）酶促自交联人源胶原蛋白的制备：将人源胶原蛋白加入到pH为7.4的磷酸缓冲液中，10℃下缓慢搅拌至完全溶解，配制成浓度为100mg/ml的人源胶原蛋白溶液；接着将1重量份赖氨酰氧化酶加入到100体积人源胶原蛋白溶液中，37℃下缓慢搅拌反应96h，制备得到酶促自交联人源胶原蛋白溶液；
（3）基于人源胶原蛋白的高强度医用水凝胶的制备：向步骤（2）所得酶促自交联人源胶原蛋白溶液中加入双醛β-环糊精，控制双醛β-环糊精用量为人源胶原蛋白质量的20%，10℃下缓慢搅拌12h，再置于37℃下恒温120min，制备得到基于人源胶原蛋白的高强度医用水凝胶。

Claims (5)

1.一种基于人源胶原蛋白的高强度医用水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
向酶促自交联人源胶原蛋白溶液中加入双醛β-环糊精，控制双醛β-环糊精用量为人源胶原蛋白质量的5%～20%，4～10℃下缓慢搅拌0.5～12h，再置于37℃下恒温5～120min，制备得到基于人源胶原蛋白的高强度医用水凝胶。
2.如权利要求1所述的一种基于人源胶原蛋白的高强度医用水凝胶的制备方法，其特征在于，所述双醛β-环糊精由包括以下步骤的方法制得：
取1重量份β-环糊精加入到50～200体积pH为7.4的磷酸缓冲液中，室温下搅拌至溶液完全澄清，配制成1份β-环糊精水溶液；
将0.5～1.5重量份高碘酸钠同样溶解到50～100体积pH为7.4的磷酸缓冲液中，室温下搅拌至完全溶解，配制成1份高碘酸钠溶液；
将1份高碘酸钠溶液缓慢加入到1份β-环糊精水溶液中，4～10℃下避光搅拌反应48～96h，待反应结束后，加入4～20体积聚乙二醇终止反应，室温下搅拌30min后，使用截留量为300～500Da的透析袋在去离子水中透析3～5天，最后冷冻干燥制备得到双醛β-环糊精；
上述步骤中，重量与体积的对应关系为1重量份：1体积=1g：1ml。
3.如权利要求1所述的一种基于人源胶原蛋白的高强度医用水凝胶的制备方法，其特征在于，所述酶促自交联人源胶原蛋白溶液由包括以下步骤的方法制得：
将人源胶原蛋白加入到pH为7.4的磷酸缓冲液中，4～10℃下缓慢搅拌至完全溶解，配制成浓度为10～100mg/ml的人源胶原蛋白溶液；
将0.05～1重量份赖氨酰氧化酶加入到100体积人源胶原蛋白溶液中，37℃下缓慢搅拌反应48～96h，制备得到酶促自交联人源胶原蛋白溶液；
上述步骤中，重量与体积的对应关系为1重量份：1体积=1g：1ml。
4.如权利要求1所述的一种基于人源胶原蛋白的高强度医用水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的双醛β-环糊精的氧化度为35%～50%。
5.权利要求1~4任一项所述方法制备的高强度医用水凝胶。
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