CN111072999A - 一种梯度结构蛋白质水凝胶及其制备方法 - Google Patents

一种梯度结构蛋白质水凝胶及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种梯度结构蛋白质水凝胶及其制备方法，其通过将预成型的蛋白质水凝胶在表面活性剂溶液中进行浸泡处理，得到具有梯度结构的蛋白质水凝胶。本发明制备的梯度结构蛋白质水凝胶具有致密的外壳结构和疏松的内核结构，并且在洗脱表面活性剂分子后，水凝胶的梯度结构能够得以保持。该方法简单方便，成本低廉，所得到的梯度水凝胶主体成份具有良好的生物相容性及生物降解性，可提供非均匀的孔隙率、力学、渗透等性质，有利于其应用于生物材料、医药工程等领域。

Description

一种梯度结构蛋白质水凝胶及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子水凝胶技术领域，具体涉及一种梯度结构蛋白质水凝胶及其制备方法。
背景技术
水凝胶是一类由聚合物或胶体颗粒交联形成的富含水分(>80%)的三维网络结构材料。水凝胶具有独特的理化性质，如质地柔软、富含水分、力学性能可控、介质传导迅速、生物相容性好，在组织工程、药物递送等领域具有广阔的应用前景。
蛋白质作为一种天然两性高分子，凝胶性是其最重要的功能特性之一，可以作为乳化剂、增稠剂和胶凝剂等应用于食品工业中。由于其具有良好的生物相容性及生物降解性，使它被广泛用于生物医药领域。表面活性剂是一种两亲性分子，通常由疏水烃基和亲水头基构成，根据其极性基团的解离性质主要分为阳离子型、阴离子型、两性离子型以及非离子型表面活性剂。表面活性剂能够通过影响与蛋白质分子间的相互作用，从而影响蛋白质水凝胶的理化性质。
在自然界中，梯度结构在指导包括肌腱、软骨和中枢神经系统在内的多种组织的功能方面发挥着重要作用，如可提供非均匀的力学强度、控制功能因子释放等。近年来，具有梯度结构的功能材料已经采用多通道微流体设备、3D打印、光致变色和磁场对准等方法制备出来，因其具备优异的性能，在人体如骨骼，牙齿、皮肤等许多器官和组织中也得到广泛的应用。然而，目前制备梯度材料的方法工艺较为复杂，需要高度专业化的设备或特殊的材料特性 (如光敏性和磁性)，而且通常受到某些材料参数的限制，如粘度或凝胶动力学参数。目前尚未发现一种简单方便的方法构建具有梯度结构的蛋白质水凝胶。
发明内容
本发明的目的在于提供一种梯度结构蛋白质水凝胶及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种梯度结构蛋白质水凝胶，其制备方法具体包括如下步骤：
（1）溶液的制备：将乳清分离蛋白、卵清蛋白、血清白蛋白等蛋白质材料溶于去离子水中，在室温条件下搅拌2-3 h至完全溶解，配制成质量分数为11-15 %的蛋白质溶液，放入4℃冰箱中冷藏待用；将表面活性剂溶于去离子水，配制成浓度为0.01-0.04 g/mL的表面活性剂溶液；
（2）蛋白质水凝胶的制备：调节步骤（1）所制备蛋白质溶液的pH值为11，在超声波清洗机中超声30-60 s去除气泡后倒入模具中，在50 ℃水浴中加热20 min，之后冷却到室温，得到蛋白质水凝胶，放入4℃冰箱中冷藏待用；
（3）梯度结构蛋白质水凝胶的制备：将步骤（2）制备的蛋白质水凝胶置于表面活性剂溶液中浸泡1-48 h，得到梯度结构蛋白质水凝胶。
所述表面活性剂为阳离子表面活性剂。
本发明有益效果在于：
本发明通过浸泡处理的方法，利用表面活性剂小分子在预成型的蛋白质水凝胶中的渗透扩散，制备了一种梯度结构蛋白质水凝胶。本发明制备的梯度结构蛋白质水凝胶具有致密的外壳结构和疏松的内核结构，并且在洗脱表面活性剂分子后，水凝胶的梯度结构能够得以保持。该方法简单方便，成本低廉，所得到的梯度水凝胶主体成份具有良好的生物相容性及生物降解性，可提供非均匀的孔隙率、力学、渗透等性质，有利于其应用于生物材料、医药工程等领域。
附图说明
图1为实施例1所制备梯度结构蛋白质水凝胶截面不同位置的扫描电镜图；
图2为十二烷基三甲基溴化铵在浸泡表面活性剂溶液前后的15 wt%蛋白质水凝胶中的扩散曲线图；
图3为蛋白质浓度为11wt%-15wt%的蛋白质水凝胶经过十二烷基三甲基溴化铵溶液浸泡后的压缩质构曲线图；
图4为蛋白质水凝胶在不同疏水链长的阳离子表面活性剂溶液中浸泡前后的压缩质构曲线图；
图5为蛋白质水凝胶在不同类型表面活性剂溶液浸泡前后的外观形貌。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例1
一种梯度结构蛋白质水凝胶及其制备方法，包括如下步骤：
（1）溶液的制备：称取15 g乳清分离蛋白溶于85 g去离子水中，在室温条件下搅拌2 h至完全溶解，配制成质量分数为15 %的乳清分离蛋白溶液，放入4℃冰箱中冷藏待用。称取4g十二烷基三甲基溴化铵溶于100 mL去离子水中，配制成浓度为0.04 g/mL的十二烷基三甲基溴化铵溶液。
（2）蛋白质水凝胶的制备：用2 M 氢氧化钠溶液将乳清分离蛋白溶液的pH调至11，在超声波清洗机中超声30-60 s去除气泡后分装于圆柱形模具中，密封，在50 ℃水浴中加热20 min，之后冷却到室温，得到蛋白质水凝胶，放入4℃冰箱中冷藏待用。
（3）梯度结构蛋白质水凝胶的制备：将蛋白质水凝胶置于0.04 g/mL的十二烷基三甲基溴化铵溶液中浸泡 24 h，得到梯度结构蛋白质水凝胶。
使用扩散池和电导率仪测量表面活性剂在蛋白质水凝胶中的渗透性。所述扩散池由装有表面活性剂溶液的A池和装有水(或低浓度的表面活性剂溶液)的B池组成，水凝胶(厚度约1.5-2.0 mm)固定在A池和B池之间，将整个装置放置在28℃的恒温水浴中，使用电导率仪测量B池中溶液的电导率，从而得到表面活性剂的浓度。实验每两分钟收集一次数据，持续一小时，绘制浓度曲线图，通过计算获得表面活性剂在水凝胶中的扩散速率。从图2曲线斜率中可见，采用阳离子表面活性剂浸泡后的水凝胶（外壳部分）的扩散速率明显降低，说明浸泡后的蛋白质水凝胶形成了致密的外壳结构，降低了物质扩散速率。
利用质构仪对不同浓度蛋白质水凝胶浸泡前后的力学性能进行表征，结果如图3所示。样品为圆柱形水凝胶(高7mm，直径9mm)，压缩测试速度为5 mm/min。如图3可见，蛋白浓度为11-15%的水凝胶经过十二烷基三甲基溴化铵溶液浸泡后形成了致密的外壳结构，疏松甚至空心的内核结构，水凝胶呈现非均匀的力学性质，其中以15%的蛋白浓度效果最佳。
图4为蛋白质水凝胶在不同疏水链长的阳离子表面活性剂溶液中浸泡前后的压缩质构曲线图。如图4可见，不同疏水链长的阳离子表面活性剂对水凝胶梯度结构的形成具有不同的效果。经过六烷基三甲基溴化铵溶液浸泡后水凝胶发生溶胀，而经过八烷基三甲基溴化铵溶液浸泡后水凝胶基本不变，经过十二烷基三甲基溴化铵溶液浸泡后才可形成壳核结构水凝胶。如果继续提高表面疏水链长度，则表面活性剂溶解度大幅降低，难以配制所需表面活性剂浓度的溶液。
图5为蛋白质水凝胶在不同类型表面活性剂溶液浸泡前后的外观形貌。如图5可见，水凝胶经过阴离子、两性离子和非离子型表面活性剂溶液浸泡后，分别发生溶解和溶胀破裂，无法形成梯度结构水凝胶。而使用特定疏水链长和浓度的阳离子表面活性剂浸泡蛋白质水凝胶才能制备梯度结构的蛋白质凝胶。
实施例2
一种梯度结构蛋白质水凝胶及其制备方法，包括如下步骤：
（1）溶液的制备：称取15 g卵清蛋白溶于85 g去离子水中，在室温条件下搅拌2 h至完全溶解，配制成质量分数为15 %的卵清蛋白溶液，放入4℃冰箱中冷藏待用。称取4 g十二烷基三甲基溴化铵溶于100 mL去离子水中，配制成浓度为0.04 g/mL的十二烷基三甲基溴化铵溶液。
（2）蛋白质水凝胶的制备：用2 M 氢氧化钠溶液将卵清蛋白溶液的pH调至11，在超声波清洗机中超声30-60 s去除气泡后分装于圆柱形模具中，密封，在50 ℃水浴中加热20min，之后冷却到室温，得到蛋白质水凝胶，放入4℃冰箱中冷藏待用。
（3）梯度结构蛋白质水凝胶的制备：将蛋白质水凝胶置于0.04 g/mL的十二烷基三甲基溴化铵溶液中浸泡 24 h，得到梯度结构蛋白质水凝胶。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种梯度结构蛋白质水凝胶的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
（1）溶液的制备：将蛋白质材料溶于去离子水中，在室温条件下搅拌2-3 h至完全溶解，配制成质量分数为11-15 %的蛋白质溶液；将表面活性剂溶于去离子水，配制成浓度为0.01-0.04 g/mL的表面活性剂溶液；
（2）蛋白质水凝胶的制备：将步骤（1）所制备蛋白质溶液在超声波清洗机中超声30-60s去除气泡后倒入模具中，在50 ℃水浴中加热20 min，之后冷却到室温，得到蛋白质水凝胶；
（3）梯度结构蛋白质水凝胶的制备：将步骤（2）制备的蛋白质水凝胶置于表面活性剂溶液中浸泡1-48 h，得到梯度结构蛋白质水凝胶。
2.根据权利要求1所述的梯度结构蛋白质水凝胶的制备方法，其特征在于：所述表面活性剂为阳离子型表面活性剂。
3.一种如权利要求1所述方法制得的梯度结构蛋白质水凝胶。
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