CN112480431A - 一步法制备高性能角蛋白凝胶的方法 - Google Patents

一步法制备高性能角蛋白凝胶的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一步法制备高性能角蛋白凝胶的方法，是以头发为原料，通过在复合溶解液中高温溶解，低温凝固，水洗置换出溶解液中的各小分子化合物得到角蛋白凝胶。本发明通过一步法制备高性能角蛋白凝胶，不需要经过透析（或等电点沉淀）、干燥、再溶解的过程，方法简单环保，制备的凝胶具有良好的溶胀性、离子强度敏感性、pH敏感性以及可生物降解性。药物释放性能测试表明，角蛋白凝胶对高分子药物具有良好的缓释性能，因此可作为高分子药物载体应用于医用领域。

Description

一步法制备高性能角蛋白凝胶的方法
技术领域
本发明涉及一步法制备高性能角蛋白凝胶的方法，制备的角蛋白凝胶主要作为高分子药物载体应用于医用领域，属于凝胶材料、食用天然高分子材料及药用高分子材料领域。
背景技术
理想的药物载体应具有药物控释性能以提高药效，还应具有生物相容性、生物降解性、理化及生物稳定性和极低的细胞毒性。近年来，以天然高分子为原料，制备可用于药物控释载体的高分子水凝胶受到了广泛的关注。
角蛋白是头发、羽毛、羊毛、犄角的主要成分，在头发中含量高达90%左右，是一种不溶于水，具有生物相容性、生物降解性的蛋白。目前大部分角蛋白材料的制备都要经过溶解、透析（或等电点沉淀），干燥，再溶解等步骤。且鲜有高力学性能角蛋白凝胶的报道。大部分角蛋白凝胶材料会以复合其他高分子（如CN201510298838.8、CN201510299512.7都是角蛋白复合海藻酸钠， CN201810587364.2是角蛋白与PVA复合）或加入交联剂来提高性能。
由于角蛋白分子中有大量的氨基、羧基、羟基等能与药物分子形成离子氢键、离子键或静电作用而吸附药物分子，在低浓度药物环境和溶胀、降解的过程中缓慢释放出药物，并且大量氨基和羧基的存在，使角蛋白凝胶在不同pH和盐浓度有不同的溶胀率和缓释性。CN201510298838.8公开了一种角蛋白-海藻酸钠复合微孔凝胶，利用该复合微孔凝胶的酸敏性，实现药物分子的可控释放；CN201510299512.7提供了一种羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶的制备，利用其酸敏性实现药物分子的可控释放。然而，以上凝胶的制备过程相对复杂，且以有机试剂为助剂提高性能。
发明内容
本发明的目的是提供一步法制备高性能角蛋白凝胶的方法。
一、角蛋白凝胶的制备
本发明一步法制备高性能角蛋白凝胶的方法，是将脱脂头发在溶解液中溶解得头发角蛋白溶解液，过滤除去未溶解的头发碎渣，滤液冷却凝固后，置于去离子水中置换出溶解液中的小分子化合物（尿素、硫脲、焦亚硫酸钠），即得角蛋白凝胶。
所述脱脂头发是将洗干净的头发在有机溶剂中缓慢搅拌浸泡2~4h，用去离子水清洗三遍烘干即得。所述溶解液中含有尿素、硫脲、焦亚硫酸钠；所述尿素、硫脲、焦亚硫酸钠的摩尔浓度分别为2~8mol/L、2~5mol/L、0.2~1mol/L。所述脱脂头发与溶解液的质量比为0.01:1~0.01:3。所述脱脂头发在溶解液中的溶解温度为70~100℃，溶解时间为1~3h。所述过滤用尼龙网，规格为300~500目。所述冷却温度为0~40℃，冷却时间为0.5~2h。
置换出溶解液中的各小分子化合物的具体操作为：将凝胶在水中浸泡，凝胶与水的质量体积比为0.001~0.01g/mL，每1~3h换一次水，共置换4~8次。
二、角蛋白凝胶的形貌与结构表征
1、宏观形貌
本发明新鲜制备的角蛋白凝胶在不同温度下的外观形貌如图1所示，从左到右温度分别为4℃、室温（23℃）、37℃，从图1可以看出制得的角蛋白凝胶随着温度的升高稍有缩小，但变化不明显。
2、微观形貌
采用扫描电镜观测了角蛋白凝胶的微观形貌（图2）。从图中可以明显看出：角蛋白凝胶呈网状结构，有较多孔洞。
3、红外光谱分析
角蛋白凝胶的红外吸收光谱如图3所示。其中，在 3387cm-1、1648cm-1、1531cm-1、1237cm-1处的吸收峰为人发角蛋白的特征吸收峰，分别归属于酰胺 A 带（NH 伸缩与酰胺Ⅱ第一倍频共振吸收）、酰胺 I 带（C=O伸缩）、酰胺 II 带（CN 伸缩、NH 弯曲）和酰胺 III 带（CN 伸缩、NH 弯曲），说明角蛋白凝胶制备成功。
三、角蛋白凝胶的性能测试
1、不同离子浓度的盐溶液中的溶胀行为
图4、图5为角蛋白凝胶在不同离子浓度的硫酸钠溶液中的溶胀图和溶胀率。从图4和图5可以看出，随着溶液中硫酸钠离子浓度的增加，角蛋白溶胀越来越明显，绝对溶胀率越来越大。这是由于角蛋白中存在大量的-COOH、-NH3、-OH、-SH等极性基团，在形成凝胶的过程中，大部分极性基团相距甚远，并不能形成离子键，而硫酸钠溶液中存在的离子与角蛋白中的极性基团形成离子键，同时为角蛋白带电基团搭桥，使相互之间形成离子键而收缩，并且随着离子浓度的增加，收缩（绝对溶胀率）越大，也说明了这个原因。
图6、图7为角蛋白凝胶在不同离子浓度的氯化钙溶液中的溶胀图和溶胀率。从图6和图7可以看出，随着溶液中硫酸钠离子浓度的增加，角蛋白溶胀越来越明显，绝对溶胀率越来越大。溶胀原因同上，但从图6、7与图4、5对比可以看出，同摩尔浓度的两种溶液，在硫酸钠溶液中的绝对溶胀率明显高于在氯化钠溶液中的绝对溶胀率，这是由于相同摩尔浓度的两种溶液，硫酸钠的离子浓度是氯化钠的2倍。
2、pH响应性测试
图8、图9为角蛋白凝胶在不同pH值的PBS缓冲溶液中的溶胀图和溶胀率，从图8和图9可以看出，随着溶液pH的增加，角蛋白溶胀越来越不明显，绝对溶胀率在pH=5时最大。这是由于角蛋白的等电点在pH=4.6~4.7，越靠近等电点，越容易形成离子键，收缩越大。
3、药物释放性能
考察在室温（23℃）下，角蛋白凝胶在pH=7.4的PBS缓冲溶液中对模拟药物（罗丹明B）的释放性能。图10为角蛋白凝胶的药物释放曲线图。从图中可以看出，随着时间的延长，该凝胶对模拟药物（罗丹明B）累积释放率逐渐增加，累计释放30天时，累计释放率达到85.8%，说明角蛋白凝胶具有良好的缓释性能。
综上所述，本发明以头发为原料，通过在复合溶解液中高温溶解，低温凝固，水洗置换出溶解液中的各小分子化合物得到角蛋白凝胶。本发明通过一步法制备高性能角蛋白凝胶，不需要经过透析（或等电点沉淀）、干燥、再溶解的过程，方法简单环保，制备的凝胶具有良好的溶胀性、离子强度敏感性、pH敏感性以及可生物降解性。药物释放性能测试表明，角蛋白凝胶对药物具有良好的缓释性能，因此可作为高分子药物载体应用于医用领域。
附图说明
图1为角蛋白凝胶的宏观形貌。
图2为角蛋白凝胶冷冻干燥后的扫描电镜图
图3为角蛋白凝胶的的红外光谱图。
图4为角蛋白凝胶在不同离子浓度的硫酸钠溶液的溶胀图。
图5为角蛋白凝胶在不同离子浓度的硫酸钠溶液中的溶胀率。
图6为角蛋白凝胶在不同离子浓度的氯化钙溶液的溶胀图。
图7为角蛋白凝胶在不同离子浓度的氯化钙溶液中的溶胀率。
图8为角蛋白凝胶在不同pH值的PBS缓冲溶液中的溶胀图。
图9为角蛋白凝胶在不同pH值的PBS缓冲溶液中的溶胀率。
图10为角蛋白凝胶的药物释放曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明高性能角蛋白凝胶的制备及药物释放性能做进一步说明。
实施例1
（1）将洗干净的头发在有机溶剂中缓慢搅拌浸泡2h，用去离子水清洗三遍在烘箱中60℃烘干。
（2）配制溶解液，其中尿素摩尔浓度为2 mol/L，硫脲摩尔浓度为2mol/L，焦亚硫酸钠摩尔浓度为0.2mol/L。
（3）以脱脂头发与溶解液的料液质量比为0.01:1，将脱脂头发分散于溶解液中，在70℃下搅拌溶解1h。
（4）溶解完成后用300目尼龙网过滤，除去未溶解的头发碎渣。
（5）滤液趁热分装在模具中在4℃冷却0.5h凝固。
（6）从模具中取出凝固的凝胶，将凝胶在水中浸泡置换出小分子化合物（尿素、硫脲、焦亚硫酸钠），凝胶与水的质量体积比为0.001g/mL，每1h换一次水，共置换4次即得角蛋白凝胶。
（7）角蛋白凝胶的性能：该凝胶对模拟药物（罗丹明B）在pH=7.4的PBS缓冲溶液中，40天后，累积释放率可达78%。
实施例2
（1）将洗干净的头发在有机溶剂中缓慢搅拌浸泡3h，用去离子水清洗三遍在烘箱中60℃烘干。
（2）配制溶解液，其中含尿素的摩尔浓度为5 mol/L，硫脲的摩尔浓度为4mol/L、焦亚硫酸钠的摩尔浓度为0.7 mol/L。
（3）以脱脂头发与溶解液的料液质量比为0.01:2，将脱脂头发分散于溶解液中，在80℃下搅拌溶解2h。
（4）溶解完成后用300目尼龙网过滤，除去未溶解的头发碎渣。
（5）滤液趁热分装在模具中在20℃冷却1h凝固。
（6）从模具中取出凝固的凝胶，将凝胶在水中浸泡置换出小分子化合物（尿素、硫脲、焦亚硫酸钠），凝胶与水的质量体积比为0.005g/mL，每2h换一次水，共置换6次即得角蛋白凝胶。
（7）角蛋白凝胶的性能：该凝胶对模拟药物（罗丹明B）在pH=7.4的PBS缓冲溶液中，35天后，累积释放率可达75%。
实施例3
（1）将洗干净的头发在有机溶剂中缓慢搅拌浸泡4h，用去离子水清洗三遍在烘箱中60℃烘干。
（2）配制溶解液，其中含尿素的摩尔浓度为8 mol/L，硫脲的摩尔浓度为5mol/L，焦亚硫酸钠的摩尔浓度为1 mol/L。
（3）以脱脂头发与溶解液的料液质量比为0.01:3，将脱脂头发分散于溶解液中，在100℃下搅拌溶解3h。
（4）溶解完成用500目尼龙网过滤，除去未溶解的头发碎渣。
（5）滤液趁热分装在模具中在30℃冷却2h凝固。
（6）从模具中取出凝固的凝胶，将凝胶在水中浸泡置换出小分子化合物（尿素、硫脲、焦亚硫酸钠），凝胶与水的质量体积比为0.01g/mL，每1h换一次水，共置换8次即得纯角蛋白凝胶。
（7）角蛋白凝胶的性能：该凝胶对模拟药物（罗丹明B）在pH=7.4的PBS缓冲溶液中，45天后，累积释放率可达84%。

Claims (9)

1.一步法制备高性能角蛋白凝胶的方法，是将脱脂头发在溶解液中溶解得头发角蛋白溶解液，过滤除去未溶解的头发碎渣，滤液冷却凝固后，置于去离子水中置换出溶解液中的小分子化合物，即得纯角蛋白凝胶。
2.如权利要求1所述一步法制备高性能角蛋白凝胶的方法，其特征在于：所述脱脂头发是将洗干净的头发在有机溶剂中缓慢搅拌浸泡2-4h，用去离子水清洗三遍烘干即得。
3.如权利要求1所述一步法制备高性能角蛋白凝胶的方法，其特征在于：所述溶解液中含有尿素、硫脲、焦亚硫酸钠；所述尿素、硫脲、焦亚硫酸钠的摩尔浓度分别为2~8mol/L、2~5mol/L、0.2~1mol/L。
4.如权利要求1所述一步法制备高性能角蛋白凝胶的方法，其特征在于：所述脱脂头发与溶解液的质量比为0.01:1~0.01:3。
5.如权利要求1所述一步法制备高性能角蛋白凝胶的方法，其特征在于：所述脱脂头发在溶解液中的溶解温度为70~100℃。
6.如权利要求1所述一步法制备高性能角蛋白凝胶的方法，其特征在于：所述脱脂头发在溶解液中的溶解时间为1~3h。
7.如权利要求1所述一步法制备高性能角蛋白凝胶的方法，其特征在于：所述过滤用尼龙网，规格为300~500目。
8.如权利要求1所述一步法制备高性能角蛋白凝胶的方法，其特征在于：所述冷却温度为0~40℃，冷却时间为0.5~2h。
9.如权利要求1所述一步法制备高性能角蛋白凝胶的方法，其特征在于：置换出溶解液中的各小分子化合物的具体操作为：将凝胶在水中浸泡，凝胶与水的质量体积比为0.001~0.01g/mL，每1~3h换一次水，共置换4~8次。
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