CN110144123A - 一种蚕丝蛋白/纤维素衍生物复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于天然高分子材料技术领域，具体为一种蚕丝蛋白/纤维素衍生物复合材料及其制备方法。本发明通过对蚕丝蛋白水溶液与羟丙基甲基纤维素或羟丙基纤维素或甲基纤维素共混水溶液加热固化，再通过浸泡能诱导丝蛋白构想转变的溶液进行熟化，干燥后即制备得到的高强度丝蛋白基本体材料。本发明的制备过程简单，绿色温和，节能高效，成本低廉，而且可以通过简单的改变固含量及共混比例来控制最终本体材料的力学性能；所制备得到基于天然大分子高强度材料，可应用于生物医药领域。

Description

一种蚕丝蛋白/纤维素衍生物复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于天然高分子材料技术领域，具体涉及一种高强度天然生物大分子复合材料及其制备方法。

背景技术

组织工程学在近年来飞速发展，因此，各项性能可控，生物相容性优异且环境友好的生物医用材料在该领域中的使用及其制备技术受到了广泛的关注。然而，现有的天然高分子材料如水凝胶、多孔支架等往往在机械性能上难以满足较大程度的伤害，如骨裂、骨折等。市面上的高强度材料也以自体骨、各类金属、生物陶瓷或是以聚乳酸为代表的聚合物为主。但是这些材料都有各自的局限性。如自体骨移植常常伴有供区疼痛等并发症，异体骨存在传播疾病、引发宿主免疫反应的风险；带血管蒂腓骨移植由于其较高的手术要求限制了其大范围的开展；而钽棒等金属材料则存在周围骨长入并不理想的缺点。人工骨棒则脆性较高，术中易断裂，不能起到支撑的作用。聚乳酸类的材料虽然在力学性以及其可降解性能上能受到认可，但是聚乳酸降解后产生的乳酸会在局部造成酸性环境，容易引起人体不适，不利于较大面积的骨缺损模型。

蚕丝是一种古老的天然蛋白质材料。由于其与生俱来的优良力学性能和生物相容性以及广泛的来源，蚕丝以及以蚕丝蛋白为基础的材料在生物医用领域具有很广泛的应用前景。在一般应用中再生丝蛋白溶液经常被用来制备水凝胶，但其力学性能均无法达到大面积人体缺损或者对力学性能要求较高的组织的要求。水溶性纤维素衍生物如羟丙基甲基纤维素为天然多糖-纤维素的衍生物，其侧链上的疏水基团使其具有温敏性，羟丙基甲基纤维素水溶液经过加热可以由透明溶液变成凝胶，降回室温后又回复到溶液状态。同时，与蚕丝蛋白一样，这种纤维素衍生物具有很好的生物相容性。

本发明通过加热蚕丝蛋白和纤维素衍生物的共混水溶液，先得到一类模量高、韧性强且具有很好生物相容性的水凝胶，随后利用溶剂诱导熟化，在其干燥后得到力学性能优良且可控的丝蛋白基本体材料。其凝胶化过程不仅快速、便捷，最重要的是该过程中纤维素衍生物能够帮助丝蛋白形成均匀的凝胶网络和结晶区域，后期熟化能够进一步促进网络的完善。因此抵御在其干燥过程中能产生的内应力，得到结构均一、强度可控的复合材料。本发明方法不仅克服了传统物理凝胶的一大缺点，还能够提供高强度丝蛋白基本体材料，其杨氏模量可达1400MPa。除此之外，其制备方法相较于化学交联的制备方法更为简便温和，绿色环保，同时也避免了化学交联剂的使用，并且生物相容性得到了很好的保持，细胞可在其表面铺展生长。这种简单快速的制备方法也为其今后的工业化大规模生产提供了可行性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同时具有良好生物相容性和优良且可控力学性能的丝蛋白基材料及其制备方法。

本发明提供的丝蛋白基本体材料，为一种蚕丝蛋白/纤维素衍生物的复合材料，以质量浓度分别为4~20%的蚕丝蛋白水溶液与纤维素衍生物水溶液按不同的体积比例混合，得到共混溶液（水凝胶），丝蛋白占总体固状物的质量分数为50% ~ 99%，经过熟化、干燥，得到结构均一、强度可控的本体材料。

本发明提供的蚕丝蛋白/纤维素衍生物的复合材料的制备方法，具体步骤为：

（1）制备再生蚕丝蛋白水溶液，使其最终质量浓度为4~20%；

（2）搅拌条件下于去离子水中加入纤维素衍生物（例如丙基甲基纤维素、羟丙甲纤维素或甲基纤维素）粉末，使其溶解，纤维素衍生物在水溶液中最终质量浓度为4~20%；

（3）将步骤（1）与步骤（2）所述相同质量浓度的两种溶液按质量比例均匀混合，得共混溶液；再水浴加热；

（4）加热固化得到的材料浸泡于能够诱导丝蛋白β转变的溶液中进行熟化，干燥，然后通过机械加工方式制备得到不同形状及尺寸的高强度复合材料。

本发明中，所述蚕丝蛋白为桑蚕丝蛋白或柞蚕丝蛋白的一种或两者混合。

本发明中，所述共混溶液中，丝蛋白溶液:纤维素衍生物溶液的质量比例宜为1:1~ 99:1（即（1 ~ 99）:1），优选20:1 ~ 60:1。

本发明中，所述水浴加热温度为40℃至90℃，水浴加热时间为0.5小时至24小时。

本发明中，所述熟化时间为6小时至48小时。

本发明中，所述的能诱导β折叠的水溶液为含有机溶剂类、表面活性剂类、酸性溶液的任何一种，或其中几种的混合。

本发明中，所述的有机溶剂类为（但不仅限于）甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、吡啶、丙酮、氯仿中的任何一种，或其中几种的混合, 浓度为50~95% v/v。

本发明中，所述表面活性剂类为（但不仅限于）十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠或聚乙二醇辛基苯基醚中的任何一种，浓度为5-40 mM。

本发明中，所述酸性溶液为能将溶液pH降低至2-5的任何一种，浓度为0.05-5% w/w。

本发明中，所述的干燥方法包括（但不仅限于）环境风干、高温烘干、真空干燥、红外干燥、热风干燥、微波干燥或溶剂置换冷冻干燥。

本发明中，步骤（1）中所述丝蛋白水溶液可为纯丝蛋白溶液，也可为还含其他成分的混合溶液/悬浊液，其他成分包括水溶性高分子、功能性无机材料或药物分子等。

本发明方法也可用于制备高强度丝蛋白膜及丝蛋白支架材料。

本发明复合材料具有双网络结构，强度高，具有符合现有骨损伤需求的力学性能，天然高分子的性质在制备过程中得到保留。可用于生物医学工程及纳米功能材料领域。

本发明的优点：

（1）制备复合材料原料为丝素蛋白，成本低廉，且经过美国食品药品监督管理局认证的，复合材料具有良好的生物相容性和生物降解性；

（2）采用的羟丙基甲基纤维素、羟丙基纤维素和甲基纤维素皆为天然纤维素衍生物，已实现工业化生产，广泛应用于医药、食品和化妆品等行业，并且来源丰富；

（3）采用的溶剂离子，以及能诱导丝蛋白β折叠转变的溶液的残留都可通过与去离子水置换除去；

（4）本发明凝胶化过程不仅快速、便捷，最重要的是该过程中纤维素衍生物能够帮助丝蛋白形成均匀的凝胶网络和结晶区域，后期熟化能够进一步促进网络的完善。相比普通丝蛋白凝胶的网络更加均一，因此能抵御在其干燥过程中能产生的内应力，得到强度高且可控的复合材料，其杨氏模量可达1400MPa；

（5）本发明对于丝蛋白及纤维素衍生物的浓度限制较小，在4~20wt%的浓度下皆可得到该种材料，且力学强度可通过浓度以及比例调节变化；

（6）本发明所述的丝蛋白溶液中，还可以有水溶性高分子，功能性无机纳米粒子，药物分子等的混合溶液，可制备具有多功能性的高强度丝蛋白基复合材料；

（7）本发明制备方法简单高效，绿色环保，制备过程中不涉及任何化学交联剂或者生物交联剂，具有推广应用的价值。

附图说明

图1为蚕丝蛋白/纤维素衍生物复合材料的成品示意图。

图2为蚕丝蛋白/纤维素衍生物复合材料的成品示意图。其中，中心为实心材料，外层为多孔支架。

图3为碳酸氢钠脱胶的蚕丝蛋白/纤维素衍生物复合材料力学性能曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

取质量分数为10 wt%的桑蚕丝蛋白溶液9.5 mL，加入10wt%羟丙基甲基纤维素水溶液0.5 mL，均匀混合后再60℃水浴加热1小时形成凝胶。然后将其置于75%乙醇溶液中浸泡24小时，得到高强度的丝蛋白基水凝胶，再置于敞开环境内干燥48小时，得到高强度丝蛋白基复合材料。压缩模量达到719MPa。测试表明，在模拟体内环境条件下性能稳定，细胞相容性好。

实施例2

取质量分数为5wt%的柞蚕丝蛋白溶液18 mL，加入5wt%羟丙基甲基纤维素水溶液2mL，均匀混合后再70℃水浴加热2小时形成凝胶。然后将其置于80%甲醇溶液中浸泡24 小时，得到高强度的丝蛋白基水凝胶，再置于内真空干燥箱内24小时，得到高强度丝蛋白基复合材料。压缩模量达到556MPa。测试表明，在模拟体内环境条件下性能稳定，细胞相容性好。

实施例3

取质量分数为20wt%的桑蚕丝蛋白溶液18 mL，加入20wt%羟丙基纤维素水溶液2mL，均匀混合后再80℃水浴加热0.5小时形成凝胶。然后将其置于0.5M十二烷基硫酸钠溶液中浸泡48 小时，得到高强度的丝蛋白基水凝胶，再置于通风橱内24小时，得到高强度丝蛋白基复合材料。压缩模量达到1603MPa。测试表明，在模拟体内环境条件下性能稳定，细胞相容性好。

实施例4

取质量分数为10wt%的桑蚕丝蛋白溶液10 mL，加入10wt%甲基纤维素水溶液10mL，均匀混合后再65℃水浴加热1.5小时形成凝胶。然后将其置于pH为2.5的醋酸水溶液中浸泡24小时，得到高强度的丝蛋白基水凝胶，红外干燥6小时，得到高强度丝蛋白基复合材料。压缩模量达到196MPa。测试表明，在模拟体内环境条件下性能稳定，细胞相容性好。

实施例5

取质量分数为5wt%的桑蚕丝蛋白溶液9mL，加入10wt%羟丙基纤维素水溶液1mL，均匀混合后再60℃水浴加热1小时形成凝胶。然后将其置于-20℃冰箱冷冻24 小时，再在无水乙醇中熟化，得到的丝蛋白基多孔支架，通风橱内干燥12小时，得到高强度丝蛋白基多孔支架。测试表明，该多孔支架孔径均一，且在模拟体内环境条件下性能稳定，细胞相容性好。

实施例6

取质量分数为15wt%的桑蚕丝蛋白溶液14 mL，加入10wt%羟丙基甲基纤维素水溶液6mL，均匀混合后再70℃水浴加热1小时形成凝胶。然后将其置于70%异丙醇溶液中浸泡12 小时，得到高强度的丝蛋白基水凝胶，再置于通风橱内干燥24小时。压缩模量达到1016MPa。通过模拟体液浸泡矿化的方式使其表面原位生长纳米级羟基磷灰石。灭菌后以小鼠间充质干细胞细胞测试其促进成骨细胞增殖能力，两周后材料表面细胞增殖情况良好，因此具备充当生物医用材料的潜在可能性。

Claims (10)

1.一种蚕丝蛋白/纤维素衍生物复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

（1）制备再生蚕丝蛋白水溶液，使其最终质量浓度为4~20%；

（2）搅拌条件下于去离子水中加入纤维素衍生物粉末，使其溶解，纤维素衍生物在水溶液中最终质量浓度为4~20%；

（3）将步骤（1）与步骤（2）所述相同质量浓度的两种溶液按质量比例均匀混合，得共混溶液；再水浴加热；

（4）加热固化得到的材料浸泡于能够诱导丝蛋白β转变的溶液中进行熟化，干燥，然后通过机械加工方式制备得到不同形状及尺寸的高强度复合材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述蚕丝蛋白为桑蚕丝蛋白或柞蚕丝蛋白的一种或两者混合。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述纤维素衍生物选自丙基甲基纤维素、羟丙甲纤维素或甲基纤维素。

4. 根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述共混溶液中，丝蛋白溶液与纤维素衍生物溶液的质量比例为1:1 ~ 99:1。

5.根据权利要求1至4之一所述的制备方法，其特征在于，所述水浴加热温度为40℃至90℃，水浴加热时间为0.5小时至24小时；所述熟化时间为6小时至48小时。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述能诱导β折叠的水溶液为含有机溶剂类、表面活性剂类、酸性溶液的任何一种，或其中几种的混合。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：

所述有机溶剂类为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、吡啶、丙酮、氯仿中的任何一种，或其中几种的混合, 浓度为50~95% v/v；

所述表面活性剂类为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠或聚乙二醇辛基苯基醚中的任何一种，浓度为5-40 mM；

所述酸性溶液为能将溶液pH降低至2-5的任何一种，浓度为0.05-5% w/w。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述丝蛋白水溶液为纯丝蛋白溶液，或者为纯丝蛋白溶液外还含其他成分的混合溶液或悬浊液，其他成分包括水溶性高分子、功能性无机材料或药物分子。

9.一种由权利要求1-8之一所述制备方法得到的蚕丝蛋白/纤维素衍生物复合材料。

10.如权利要求9所述的蚕丝蛋白/纤维素衍生物的复合材料在生物医学工程及纳米功能材料领域中的应用。