CN110511409A - 一种胶原基纤维素纳米晶体复合膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种胶原基纤维素纳米晶体复合膜的制备方法，包括，分别制备得到胶原溶液和纤维素纳米晶体的水分散液，然后将两者的混合溶液在室温下除去气泡，浇注在培养皿中，风干后得到胶原基纤维素纳米晶体复合膜。本发明制备了具有较好的力学性能和良好的生物相容性的胶原/纤维素纳米晶体复合膜，结合了胶原与纤维素纳米晶体各自的一些优势，制备工艺简单、安全，成本较低，可用于角膜修复的替代材料，使胶原能适应更广泛的生物医学应用。

Description

一种胶原基纤维素纳米晶体复合膜的制备方法
技术领域
本发明涉及生物医用复合材料领域，具体涉及一种胶原基纤维素纳米晶体复合膜的制备方法。
背景技术
胶原是一种不溶于水的大分子纤维蛋白，是组成人体细胞外基质的主要成分之一，占蛋白总含量的25％～30％，在维持细胞正常的生长和各种生理活动方面有着重要作用。因此，胶原作为一种生物材料具有良好的生物相容性，可生物降解，还可促进细胞的增殖，同时还具有良好的透明性和亲水透气性，故被广泛应用于组织工程领域。然而，胶原较差的力学性能限制了其在生物医学领域的进一步应用。
纤维素纳米晶体(CNCs)是从天然纤维中提取出的一种纳米级的纤维素晶体，它不仅具有纳米颗粒的特征，还具有一些独特的强度和光学性能，在生物医疗、污水处理、能源电子等领域有着广泛的应用。纤维素纳米晶体除了具有优异的力学性能和良好的生物相容性外，还具有透明度高、生物可降解、高长径比和在水中优异的分散性等特点。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种胶原基纤维素纳米晶体复合膜的制备方法，本发明制备简单、易于操作及绿色安全。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
为了提高胶原膜的力学强度以用于角膜修复替代材料，本发明提供了一种胶原基纤维素纳米晶体复合膜的制备方法，在胶原溶液中加入了不同质量比的纤维素纳米晶体，然后通过浇注成膜的方式制备出胶原基纤维素纳米晶体复合膜。该方法制备得到的复合膜有效的增加了胶原的力学强度，且具有良好的生物相容性、透明性。
一种胶原基纤维素纳米晶体复合膜的制备方法，由胶原和纤维素纳米晶体混合浇注而成。
优选的，包括如下步骤：
(1)制备胶原溶液：将胶原浸泡到酸性溶液中直至胶原溶解，然后加水搅拌均匀；
(2)制备纤维素纳米晶体的水分散液：称取一定质量的纤维素纳米晶体粉末，然后加入到水中并搅拌均匀，得到纤维素纳米晶体的水分散液；
(3)制备胶原与纤维素纳米晶体混合液：将胶原溶液与纤维素纳米晶体的水分散液相混合并搅拌均匀；
(4)将混合溶液在室温下除去气泡，然后将混合溶液浇注在培养皿中，风干后得到胶原基纤维素纳米晶体复合膜。
优选的，所述步骤(1)中胶原为干态I型胶原，酸性溶液为0.01mol/L的盐酸溶液，所需盐酸溶液的体积与干态I型胶原的质量比为0.15L/g，胶原溶液中胶原浓度为2.0～3.0g/L。
优选的，所述步骤(3)中胶原与纤维素纳米晶体混合液中，纤维素纳米晶体的质量比为：1wt％、3wt％、5wt％、7wt％和10wt％。
优选的，所述步骤(4)中室温下除去气泡是通过磁力搅拌器完成。
优选的，所述步骤(2)中水分散液是通过超声得到。
优选的，所述纤维素纳米晶体的质量比为7wt％。
本发明的有益效果：
(1)本发明在胶原中掺入纤维素纳米晶体可提升胶原的拉伸强度和杨氏模量；
(2)本发明所制备的胶原基纤维素纳米晶体具有良好的生物相容性，为细胞的生长提供了良好的环境；
(3)胶原基纤维素纳米晶体复合膜的溶胀性能、亲水性能、透光性能等能满足角膜修复的需求；
(4)本发明方法操作简单，成本较低。
附图说明
图1(a)-图1(b)为本发明实施例1得到胶原基纤维素纳米晶体复合膜的表面及截面形貌图；
图2(a)-图2(d)分别为本发明实施例2所得的胶原基纤维素纳米晶体复合膜在以1N/min的应力下的应力与应变图、拉伸强度、断裂伸长率及弹性模量图；
图3是本发明实施例4所得胶原基纤维素纳米晶体复合膜的饱和含水率测试结果图；
图4是本发明实施例4所得胶原基纤维素纳米晶体复合膜在可见光范围内的透光率图；
图5(a)及图5(b)分别为本发明实施例2所得的胶原基纤维素纳米晶体复合膜上的上皮细胞和基质细胞的细胞增殖图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
一种胶原基纤维素纳米晶体复合膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)在4℃下，称取2.56g胶原浸泡在400mL0.01mol/L稀盐酸中，浸泡48小时。向其中加入600mL去离子水，然后用实验室高速剪切机进行搅拌，4500rpm搅拌20分钟，得到浓度为2.5mg/mL的胶原溶液。
(2)分别称取质量为0mg、2.5mg、7.7mg、13.1mg、18.8mg、27.8mg的纤维素纳米晶体粉末于20mL去离子水溶液中，振荡均匀后超声20分钟，得到不同含量的纤维素纳米晶体的水分散液。
(3)分别量取100mL胶原溶液与20mL的纤维素纳米晶体的水分散液相混合，实验室高速剪切机下2500rpm搅拌4分钟，得到质量比为0wt％，1wt％，3wt％，5wt％，7wt％和10wt％的胶原与纤维素纳米晶体混合液。
(4)将上述混合液与室温下搅拌24小时以除去气泡，然后量取60mL混合液与一次性培养皿中并置于超净台内风干，得到COL膜和1wt％CNCs、3wt％CNCs、5wt％CNCs、7wt％CNCs和10wt％CNCs的胶原膜。
实施例2
(1)在4℃下，称取2.54g胶原浸泡在400mL 0.01mol/L稀盐酸中，浸泡48小时。向其中加入600mL去离子水，然后用实验室高速剪切机进行搅拌，4600rpm搅拌20分钟，得到浓度为2.5mg/mL的胶原溶液。
(2)分别称取质量为0mg、2.5mg、7.7mg、13.2mg、18.8mg、27.7mg的纤维素纳米晶体粉末于20mL去离子水溶液中，振荡均匀后超声30分钟，得到不同含量的纤维素纳米晶体的水分散液。
(3)分别量取100mL胶原溶液与20mL的纤维素纳米晶体的水分散液相混合，实验室高速剪切机下2500rpm搅拌3分钟，得到质量比为0wt％，1wt％，3wt％，5wt％，7wt％和10wt％的胶原与纤维素纳米晶体混合液。
(4)将上述混合液与室温下搅拌24小时以除去气泡，然后量取60mL混合液放置在一次性培养皿中并置于超净台内风干，得到COL膜和1wt％CNCs、3wt％CNCs、5wt％CNCs、7wt％CNCs和10wt％CNCs的胶原膜。
实施例3
(1)在4℃下，称取2.63g胶原浸泡在400mL 0.01mol/L稀盐酸中，浸泡48小时。向其中加入600mL去离子水，然后用实验室高速剪切机进行搅拌，4400rpm搅拌25分钟，得到浓度为2.5mg/mL的胶原溶液。
(2)分别称取质量为0mg、2.5mg、7.6mg、13.2mg、18.8mg、27.7mg的纤维素纳米晶体粉末于20mL去离子水溶液中，振荡均匀后超声15分钟，得到不同含量的纤维素纳米晶体的水分散液。
(3)分别量取100mL胶原溶液与20mL的纤维素纳米晶体的水分散液相混合，实验室高速剪切机下2400rpm搅拌5分钟，得到质量比为0wt％，1wt％，3wt％，5wt％，7wt％和10wt％的胶原与纤维素纳米晶体混合液。
(4)将上述混合液与室温下搅拌24小时以除去气泡，然后量取60mL混合液与一次性培养皿中并置于超净台内风干，得到COL膜和1wt％CNCs、3wt％CNCs、5wt％CNCs、7wt％CNCs和10wt％CNCs的胶原膜。
实施例4
(1)在4℃下，称取2.54g胶原浸泡在400mL 0.01mol/L稀盐酸中，浸泡48小时。向其中加入600mL去离子水，然后用实验室高速剪切机进行搅拌，4500rpm搅拌15分钟，得到浓度为2.5mg/mL的胶原溶液。
(2)分别称取质量为0mg、2.5mg、7.7mg、13.2mg、18.8mg、27.8mg的纤维素纳米晶体粉末于20mL去离子水溶液中，振荡均匀后超声30分钟，得到不同含量的纤维素纳米晶体的水分散液。
(3)分别量取100mL胶原溶液与20mL的纤维素纳米晶体的水分散液相混合，实验室高速剪切机下2400rpm搅拌3分钟，得到质量比为0wt％，1wt％，3wt％，5wt％，7wt％和10wt％的胶原与纤维素纳米晶体混合液。
(4)将上述混合液与室温下搅拌24小时以除去气泡，然后量取60mL混合液与一次性培养皿中并置于超净台内风干，得到COL膜和1wt％CNCs、3wt％CNCs、5wt％CNCs、7wt％CNCs和10wt％CNCs的胶原膜。
对本实例制备的胶原基纤维素纳米晶体复合膜分别进行表面和截面观察，结果见图1(a)及图1(b)。
对本实施例制备的胶原基纤维素纳米晶体复合膜进行拉伸测试，结果见图2(a)-图2(d)。该结果表明，一定量的纤维素纳米晶体加入后，能显著提高复合膜的拉伸强度和杨氏模量，达到了提升力学性能的目的。
对本实施例制备的胶原基纤维素纳米晶体复合膜进行饱和含水率测试，结果见图3。结果表明纤维素纳米晶体的加入稍降低胶原膜的饱和含水率，更接近人体角膜含水率，满足作为角膜修复替代材料的要求。
对本实施例制备的胶原基纤维素纳米晶体复合膜进行可见光范围内的透光率测试，结果见图4。该结果表明纤维素纳米晶体的加入对胶原膜的透光性基本无影响，能满足胶原修复的需要。
由附图及实施例可知，随着纤维素纳米晶体质量比的增加，胶原基纤维素纳米晶体复合膜的拉伸强度和弹性模量显著增加，且断裂伸长率无明显变化，达到了良好力学性能的目的。然而胶原基纤维素纳米晶体复合膜的透光率却有所下降，其中7wt％的胶原基纤维素纳米晶体复合膜的透光率与纯胶原膜最为相似，因此综合力学性能与透光性等性能，从中得到最佳质量比的胶原基纤维素纳米晶体复合膜，用于角膜修复的替代材料。
对本实施例制备的胶原基纤维素纳米晶体复合膜上的角膜上皮和角膜基质细胞进行细胞增殖测试，结果见图5(a)及图5(b)。该结果表明胶原基纤维素纳米晶体复合膜有良好的生物相容性。
该复合膜结合了胶原和纤维素纳米晶体的许多优势。其良好的力学性能和生物相容性以及较好的透明性，使其在生物医用材料领域特别是在角膜修复方面具有很大的优势。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种胶原基纤维素纳米晶体复合膜的制备方法，其特征在于，由胶原和纤维素纳米晶体混合浇注而成。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备胶原溶液：将胶原浸泡到酸性溶液中直至胶原溶解，然后加水搅拌均匀；
(2)制备纤维素纳米晶体的水分散液：称取纤维素纳米晶体粉末，然后加入到水中并搅拌均匀，得到纤维素纳米晶体的水分散液；
(3)制备胶原与纤维素纳米晶体混合液：将胶原溶液与纤维素纳米晶体的水分散液相混合并搅拌均匀；
(4)将混合溶液在室温下除去气泡，然后将混合溶液浇注在培养皿中，风干后得到胶原基纤维素纳米晶体复合膜。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中胶原为干态I型胶原，酸性溶液为0.01mol/L的盐酸溶液，所需盐酸溶液的体积与干态I型胶原的质量比为0.15L/g，胶原溶液中胶原浓度为2.0～3.0g/L。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中胶原与纤维素纳米晶体混合液中，纤维素纳米晶体的质量比为：1wt％、3wt％、5wt％、7wt％和10wt％。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中室温下除去气泡是通过磁力搅拌器完成。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中水分散液是通过超声得到。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述纤维素纳米晶体的质量比为7wt％。
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