CN110698694A - 高机械强度丝胶蛋白水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

高机械强度丝胶蛋白水凝胶及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高机械强度丝胶蛋白水凝胶及其制备方法和应用，同时公开了一种高浓度无损丝胶蛋白溶液的获取方法，选用丝素缺失突变型家蚕品种，在家蚕5龄熟蚕期通过解剖学的方法从家蚕丝腺中直接获得高浓度无损伤的丝胶蛋白溶液。再采用H2O2等化学交联剂交联或采用超声等物理交联的方式获得具有高机械强度的新型丝胶蛋白水凝胶。该丝胶蛋白水凝胶的压缩强度、压缩与拉伸模量远高于已报道的丝胶蛋白水凝胶。本发明所述的丝胶蛋白水凝胶具有多孔结构；具有良好的药物控释功能；具有高细胞相容性；该水凝胶也是一种三维多孔的丝胶蛋白生物支架，可用于细胞外基质支持细胞生长和促进营养物质交换，可应用于多种组织损伤的修复和疾病的治疗。

Description

高机械强度丝胶蛋白水凝胶及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于生物医用材料技术领域，涉及一种高纯度无损丝胶蛋白液和丝胶蛋白水凝胶，具体为高机械强度丝胶蛋白水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
丝胶蛋白是由家蚕分泌的一种天然动物蛋白，含有18种氨基酸，不仅具有可降解、抗菌、抗癌、抗氧化、抗紫外、抗冻、抗凝血、亲水、保湿、抑制酪氨酸酶活性、无免疫原性以及促进细胞粘附和增殖等生物活性，而且富有氨基、羟基、羧基等便于修饰或改造的活性基团。如今丝胶蛋白已成为一种倍受人们关注的新型组织工程材料。然而目前丝胶蛋白的提取主要从家蚕蚕茧中分离而来，丝胶蛋白在提取过程中难以避免会造成其天然结构和活性的破坏。当前仍无法获得高浓度(>10％,w/v)且天然结构与活性未被破坏的丝胶蛋白，另外尚无从蚕体内获得高浓度无损丝胶蛋白的报道。
近年来，人们采用丝胶蛋白开发了多种生物材料，如水凝胶、蛋白膜、海绵样材料，纳米纤维和纳米粒等。其中丝胶蛋白水凝胶由于具有优良的理化特性和生物活性而倍受青睐。丝胶蛋白水凝胶已被用于皮肤、神经等组织损伤修复。然而目前的纯丝胶蛋白水凝胶机械强度较低，其应用受到很大的局限。目前的纯丝胶蛋白水凝胶所采用的丝胶蛋白均是从家蚕蚕茧中分离而来，在丝胶溶解、分离与纯化处理过程中不可避免会造成丝胶蛋白天然结构与活性的改变，同时难以获得高浓度且低破坏度的丝胶蛋白溶液。因此，直接提取天然未破坏的丝胶蛋白溶液并基于其开发新型具有高机械强度等特性的丝胶蛋白水凝胶具有十分重要的意义。
发明内容
解决的技术问题：为了克服现有技术的缺陷，本发明通过直接分离丝素缺失突变型家蚕蚕体中的丝腺，从而获得超高浓度且无损伤的丝胶蛋白溶液；再经交联获得具有高机械强度的丝胶蛋白水凝胶。此外，本发明提供了由上述方法制得的丝胶蛋白水溶液和水凝胶，以及该丝胶蛋白溶液和水凝胶在生物医用材料等领域中的应用。
技术方案：高机械强度丝胶蛋白水凝胶的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)选取丝素缺失突变型家蚕品种，饲养至5龄熟蚕期，取其丝腺；
(2)取丝腺中的丝胶蛋白液，与交联剂混匀，交联剂的浓度为0.0001～50wt％，且每毫升丝胶蛋白水溶液中加入1～500μL交联剂；或采用物理交联方式制备获得丝胶蛋白水凝胶；
取丝腺中的丝胶蛋白液可以通过直接将家蚕丝腺剪断使丝胶蛋白液流出或采用注射器等可以抽吸的器材吸取。采用该方法收集的丝胶蛋白液为高浓度、未破坏的天然丝胶蛋白溶液。
其中，交联剂为戊二醛、丙二醛、京尼平、过氧化氢中的至少一种。。
优选的，所述物理交联方式为超声。超声处理的参数为，超声振幅为2-20％，设置超声时长为0.001-1h。
优选的，步骤(2)中交联的温度为0-50℃。
优选的，所述丝素缺失突变型家蚕品种为185Nd-s，140Nd-s，139Nd-s，Nd或180Nd-s。以上品种均由中国农业科学院蚕业研究所保存。
由以上任一所述方法制备获得的高浓度无损丝胶蛋白液。
由以上任一所述方法制备获得的高机械强度丝胶蛋白水凝胶。
所述高机械强度丝胶蛋白水凝胶在生物医用材料中的应用。
所述高机械强度丝胶蛋白水凝胶在细胞载体中的应用。
所述高机械强度丝胶蛋白水凝胶在药物载体中的应用。
有益效果：(1)本发明首次采用丝素缺失突变型家蚕品种通过解剖学的方式直接获得具有高浓度且无损伤的丝胶蛋白溶液。该丝胶蛋白具有天然结构和活性，保持有丝胶蛋白的“原生态”特性；(2)为人们提供了一种获取具有高浓度(最高可达16％，w/v)且结构与活性不会被破坏的丝胶蛋白的途径；(3)采用不同交联的方式获得了具有高硬度、高弹性的丝胶蛋白水凝胶；(4)通过本发明所述方法制得的丝胶蛋白水凝胶具有多孔结构；具有超过所有已报道的丝胶蛋白水凝胶的机械强度(压缩强度和拉伸强度)；具有良好的细胞相容性；具有优异的药物控释功能；可用于作为细胞或药物载体应用于多种组织损伤的修复和疾病的治疗。
附图说明
图1高浓度无损丝胶蛋白提取和高强度丝胶蛋白水凝胶制备流程图；
图2是丝胶蛋白水凝胶微观结构图；
图3是丝胶蛋水凝胶在不同pH环境中的膨胀动力学曲线图；
图4是丝胶蛋白水凝胶在不同pH环境中的降解动力学曲线图；
图5是丝胶蛋白水凝胶的傅里叶红外光谱图；a为丝胶蛋白(虚线)和丝胶蛋白水凝胶的傅里叶红外吸收光谱，b和c分别是丝胶水凝胶和丝胶蛋白的曲线拟合(底部)光谱以二阶导数谱的峰位为初始参数，迭代拟合的酰胺Ⅰ带。
图6是丝胶蛋白水凝胶的X衍射图；
图7是丝胶蛋白水凝胶的机械性能测试图；其中图7a为高强度丝胶蛋白水凝胶压力-应变曲线图，图7b为拉力应变曲线图；
图8是小鼠皮肤成纤维细胞NIH3T3细胞活力检测图；
图9为丝胶蛋白水凝胶维持药物释放曲线图。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1制备家蚕丝胶蛋白水凝胶
(一)选择家蚕品种
选用丝素缺失型突变品种家蚕品种(由中国农业科学院蚕业研究所保存并向外商业化提供)，该类家蚕品种所吐的丝蛋白中只含有丝胶蛋白而不含丝素蛋白。
(二)分离家蚕丝胶蛋白溶液
在家蚕熟蚕期，从蚕体中分离出丝腺组织，经超纯水漂洗后，将丝腺切断，丝胶蛋白即会从中流出，从而搜集获得丝胶蛋白溶液。
(三)丝胶蛋白水凝胶的制备
将丝胶蛋白溶液(16％，w/v)与过氧化氢(3％,w/v)按1ml丝胶液加入20μl过氧化氢水溶液的比例在室温充分混匀，置于室温数秒内即可成胶。
(四)制备丝胶蛋白支架
选取由步骤(三)制备的丝胶蛋白水凝胶，分别置于-20℃、-80℃和-196℃环境下冷冻12小时。再将冷冻处理后的样品置于低温真空干燥机中干燥。即可获得具有不同微观结构的丝胶蛋白冻干支架。
如图1所示，家蚕饲养至5龄成熟期，通过解剖学方法分离丝腺。将丝腺用灭菌的超纯水漂洗三次，再将丝腺剪断，丝胶蛋白液即从丝腺中流出至样品收集瓶中。对获得的丝胶蛋白浓度采用烘干法进行检测，具体为取体积为V的丝胶蛋白溶液，置于烘箱中烘干后的干物质质量为记为M，则丝胶蛋白液的浓度为M/V×100％，通过该方法可获得高达16％(w/v)的无损丝胶蛋白液，该方案在丝胶蛋白提取方法与途径方面获得了质的突破，首次实现提取超高浓度无损丝胶蛋白。然后将过氧化氢溶液加入到丝胶蛋白液中并与之进行混合，置于室温即可获得高硬度和高弹性的丝胶蛋白水凝胶。
对上述方法制备获得的家蚕丝胶蛋白水凝胶进行性能测试，结果如下：
如图2所示，家蚕丝胶蛋白水凝胶的微观结构图，为电子扫描电镜照片。从左边到右分别为在温度为-20℃、-80℃和-196℃条件下冷冻再经低温真空冻干的样品，从图中可以看出，丝胶蛋白水凝胶为多孔的结构，且在不同的温度处理后的冻干支架具有不同的微观结构。其中在-80℃冷冻处理的样品，孔径最大。
如表1所示，丝胶蛋白水凝胶孔隙率的测定采用超纯水作为替代溶液。将干重质量为w1的样品浸没在体积为V1的超纯水中，含有样品的溶液积记为V2，1h后待液体完全浸入到样品孔隙后取出样品，剩余水的体积记为V3，则按以下公式计算样品的孔隙率为：
孔隙率(％)＝(V1-V3)/(V2-V3)×100％。结果如表1所示。在不同温度下处理的样品其孔隙率相近，为65-66％。
表1不同温度下处理的丝胶蛋白冻干支架孔隙率
Figure BDA0002265681340000041
如图3所示，将低温真空干燥后的丝胶蛋白水凝胶(质量为Wd)置于不同pH的PBS中，在预设的时间点将样品取出并去除表面多余的水，称量其质量记为Ws。则丝胶蛋白水凝胶的膨胀率为：(Ws-Wd)/Wd×100％。如图3所示，在不同pH环境下，丝胶蛋白水凝胶有相似的膨胀趋势，在初始阶段，丝胶水凝胶的体积增加迅速，24小时膨胀率即达到最大，分别为298％、369％、343％，其后相当长一段时间里维持平衡。
如图4所示，测试丝胶蛋白水凝胶的降解性能，我们将丝胶蛋白水凝胶浸泡于PBS(pH 7.4)溶液中，置于37℃恒温培养箱中，每日更换一次PBS溶液，在预设的时间点，取出样品并烘干称重。结果如图4所示：第一天内即降解9.3％，初始降解速度较快可能由于丝胶蛋白水凝胶中存在未交联的丝胶蛋白。1天后丝胶蛋白水凝胶的降解趋势趋缓，在45天内丝胶蛋白水凝胶的降解率为51.2％，与已报道的丝胶蛋白水凝胶相比，本发明获得的丝胶蛋白水凝胶降解速度要缓慢得多，这可能由于本发明获得的丝胶蛋白水凝胶孔隙率较低，使水溶液与丝胶蛋白的接触降低，另外本发明获得的丝胶蛋白水凝胶是采用无损丝胶蛋白制备，丝胶蛋白的分子量较大。这些因素可能是本发明获得的丝胶蛋白水凝胶比已报道的丝胶蛋白水凝胶在水中稳定性高的原因。
丝胶蛋白分子发生交联而形成三维网络结构水凝胶，其二级结构是否发生变化，通常用傅里叶变换红外光谱FTIR和XRD分析。首先，利用傅里叶变换红外光谱仪(Nexus,Thermal Nicolet,USA)测定丝胶蛋白水凝胶在4000–400cm-1的特征峰。后采用软件进行分析，结果见图5和表2。多肽和蛋白重复单位可以产生多特征的红外吸收峰，包括酰胺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。酰胺Ⅰ(1600-1690cm-1)主要由多肽的C＝O伸缩振动产生，酰胺Ⅱ(1480-1575cm-1)来自于N-H弯曲和C-N伸缩振动，酰胺Ⅲ(1229-1301cm-1)主要代表C-N拉伸和N-H弯曲。其中酰胺Ⅰ谱带对于丝胶蛋白二级结构的分析最有用。在酰胺Ⅰ谱带内，β-折叠(β-sheet)、无规卷曲(Random coil)、α-螺旋(α-helix)和β-转角(β-turn)的吸收峰分别分布于1640-1610cm-1、1650-1640cm-1、1658-1650cm-1和1700-1660cm-1。本发明采用的丝胶的酰胺Ⅰ在1656cm-1(图5a)，用红外光谱分析软件OPUS5.5对FTIR曲线酰胺Ⅰ谱带进行分析，谱线二阶导数进行曲线自动拟合。如图5b和5c所示，在对和丝胶蛋白水凝胶丝胶粉末的拟合分析中，丝胶蛋白水凝胶和丝胶粉末产生拟合峰。根据拟合曲线数值，得到丝胶蛋白水凝胶和丝胶蛋白粉末二级结构如表2所示，交联前后，丝胶蛋白的二级结构发生了很大的变化，其中β折叠35.62％增加到38.30％，无规卷曲由46.56％变为0，α-螺旋增加了37.01％，β-转角由17.82％增加到24.69％。上述结果表明，在丝胶蛋白交联过程中，相比于未发生交联的丝胶蛋白粉末，丝胶蛋白水凝胶二级结构中含有大量的α-螺旋，而无规卷曲含量却大大降低。无规卷曲能量高稳定性差而α-螺旋能量较低而稳定性高，丝胶蛋白在与过氧化氢反应过程中，状态不稳定的无规卷曲结构转换成更稳定的α-螺旋结构。
表2丝胶蛋白及丝胶蛋白水凝胶二级结构分析
Figure BDA0002265681340000051
接下来，我们采用XRD分析了丝胶蛋白水凝胶和未发生交联的丝胶蛋白粉末的晶体结构，XRD分析采用仪器为D8-Advance X衍射仪(Bruker,Germany)，采用的模式为2θ角为5°-70°。检测结果如图6所示，丝胶蛋白溶液冻干粉末衍射峰为20.0(2θ)，丝胶蛋白水凝胶的衍射峰为19.3(2θ)，这也进一步验证了丝胶蛋白在交联前后二级结构发生了变化。
丝胶蛋白水凝胶的机械性能检测采用的仪器为材料万能测试机(AUST,China,zhuhai)，仪器配置的传感器为20N。在进行压缩测试时，检测样品高为10mm，直径为8mm的圆柱体。压缩位移速率为5mm/min。用于检测样品拉伸性能时，水凝胶样品为长方体，检测所采用的仪器为材料万能测试机(AUST,China,zhuhai)，仪器配置的传感器为20N，位移速率为5mm/min。结果如图7所示，拉伸模量为865KPa，最大拉伸强度高达143KPa；压缩模量为412KPa，当压缩率为70％时，最大压缩强度达到886KPa；上述指标均远远超过已报道的丝胶蛋白水凝胶的机械强度。另外该水凝胶在压缩率达到70％时仍能保持结构完整且回复率高达30％，表明该水凝胶具有非常优异的力学性能。
实施例2丝胶蛋白水凝胶的生物相容性
为了测试丝胶蛋白水凝胶的生物相容性，选用小鼠皮肤成纤维细胞(NIH3T3)并采用cck8试剂盒进行检测，具体方法如下：
(1)首先将丝胶蛋白水凝胶用75％乙醇浸泡1小时，然后用灭菌PBS漂洗3次，置于室温备用。
(2)将从细胞培养瓶收集的细胞经悬浮、吹散、种植于96孔细胞培养板中，待细胞贴壁后将步骤(1)中预处理的丝胶蛋白水凝胶转入到含有细胞的培养板中，每孔加入同样质量的丝胶蛋白水凝胶。未放置丝胶蛋白水凝胶的细胞培养孔作为对照。细胞培养所用培养基为DMEM高糖培养基，细胞置于细胞培养箱(37℃，CO2浓度为5％，湿度为100％)中培养。
如图8所示，检测细胞在加入水凝胶后1天和2天时的活力。结果显示：小鼠皮肤成纤维细胞(NIH3T3)丝胶蛋白水凝胶组和对照组相比，在细胞活力方面没有显著性差异，结果表明，丝胶蛋白水凝胶具有良好的细胞相容性。
实施例3家蚕丝胶蛋白水凝胶用作药物或生长因子载体
丝胶蛋白水凝胶的体外药物控释研究参照以往的文献报道，选用盐酸阿霉素(DOX-HCl)作为模式药物。按5mg与1ml丝胶蛋白溶液比例充分混匀后加入过氧化氢制备水凝胶，再将含有DOX-HCl的水凝胶切为小块状并放入的PBS(pH7.4)溶液中，样品放置在37℃温箱，在固定的时间点取出溶液并加入新鲜的PBS，检测所取出的溶液中DOX-HCl的含量，结果如图9所示。
丝胶蛋白水凝胶对DOX-HCl具有优异的控释作用，能维持其缓慢释放达40天以上。在最初的24小时内，约有15％的DOX-HCl从丝胶水凝胶中释放。在初始5天内，药物释放较快，释放量累积达到40％。在接下来的两周内，DOX-HCl缓慢释放，在14天，DOX-HCl累积释放为55％，随后，释放速度更加缓慢，在40天，累计释放总量达到80％。结果表明，丝胶蛋白水凝胶能够维持药物释放的功能，可以作为药物控释的载体。

Claims (9)

1.高机械强度丝胶蛋白水凝胶的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)选取丝素缺失突变型家蚕品种，饲养至5龄熟蚕期，取其丝腺；
(2)取丝腺中的丝胶蛋白液，与交联剂混匀，交联剂的浓度为0.0001～50wt％，且每毫升丝胶蛋白水溶液中加入1～500μL交联剂；或采用物理交联方式制备获得丝胶蛋白水凝胶；
其中，交联剂为戊二醛、丙二醛、京尼平、过氧化氢中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的高机械强度丝胶蛋白水凝胶的制备方法，其特征在于，所述物理交联方式为超声。
3.根据权利要求1所述的高机械强度丝胶蛋白水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(2)中交联的温度为0-50℃。
4.根据权利要求1所述的高机械强度丝胶蛋白水凝胶的制备方法，其特征在于，所述丝素缺失突变型家蚕品种为185Nd-s，140Nd-s，139Nd-s，Nd或180Nd-s。
5.由权利要求1-4任一所述方法制备获得的高浓度无损丝胶蛋白液。
6.由权利要求1-4任一所述方法制备获得的高机械强度丝胶蛋白水凝胶。
7.权利要求6所述高机械强度丝胶蛋白水凝胶在生物医用材料中的应用。
8.权利要求6所述高机械强度丝胶蛋白水凝胶在细胞载体中的应用。
9.权利要求6所述高机械强度丝胶蛋白水凝胶在药物载体中的应用。
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