CN112625158A - 一种酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶及其制备方法 - Google Patents

一种酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶的制备方法，将碱性磷酸酶与PBS缓冲液混合，得到酶溶液；将丙烯酰基甘氨酰胺单体溶于去离子水中，向上述丙烯酰基甘氨酰胺单体的水溶液中加入引发剂，再向步骤1制备得到的酶溶液中加入聚戊二醛溶液，涡旋振荡，得到酶混合溶液，将酶混合溶液与丙烯酰基甘氨酰胺单体的水溶液混合后倒入模具中，置于紫外光下照射反应30‑80min，即得到水凝胶，将上述所得水凝胶清洗后，置于甘油磷酸钙化溶液中，每日更换甘油磷酸钙化溶液，钙化2‑12天后，即得到酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶。该矿化方法操作简单，条件温和，改善了聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶的性能。

Description

一种酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶及其制备方法
技术领域
本发明涉及水凝胶矿化技术领域，更具体地说涉及一种酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶及其制备方法。
背景技术
水凝胶作为一种软湿材料，既有强度保持形状而又十分柔软，并且允许小分子物质通过。由于这些与组织的相似特性，水凝胶被广泛应用于生物医学领域，但其力学强度弱，限制了水凝胶在人体内作为承载材料的应用。
用于骨再生的凝胶植入物必须具备良好的力学强度以起到适当的支撑作用，并且成熟骨是强度、韧性和生理稳定性的独特结合。然而，鲜有高强凝胶满足以上要求。另外，高强度水凝胶由于含水量很高并且缺乏骨诱导和骨传导的作用，所以本身很难与软骨下骨层产生紧密的键合或者促进骨的再生。有研究表明酶催化方法可获得性能良好的矿化水凝胶，其中，碱性磷酸酶能够切下甘油磷酸钙中的磷酸钙。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶及其制备方法，该矿化方法操作简单，条件温和，改善了聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶的性能。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
一种酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶及其制备方法，按照下述步骤进行：
步骤1，将碱性磷酸酶与PBS缓冲液混合，得到酶溶液，其中，酶溶液中碱性磷酸酶的浓度为0.5-12U/L；
步骤2，将丙烯酰基甘氨酰胺单体溶于去离子水中，向上述丙烯酰基甘氨酰胺单体的水溶液中加入引发剂，再向步骤1制备得到的酶溶液中加入聚戊二醛溶液，涡旋振荡，得到酶混合溶液，将酶混合溶液与丙烯酰基甘氨酰胺单体的水溶液混合后倒入模具中，置于紫外光下照射反应30-80min，即得到水凝胶，将上述所得水凝胶清洗后，置于甘油磷酸钙化溶液中，每日更换甘油磷酸钙化溶液，钙化2-12天后，即得到酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶，其中，引发剂的用量为丙烯酰基甘氨酰胺单体质量的0.3-6％，酶溶液与聚戊二醛混合的体积比为(1-2):(1-6)。
在步骤1中，酶溶液中碱性磷酸酶的浓度为1-10U/L。
在步骤2中，引发剂采用水溶性自由基光引发剂，如IRGACURE 1173和IRGACURE2959，引发剂的用量为丙烯酰基甘氨酰胺单体质量的0.5-5％，聚合反应时间为40-60min。
在步骤2中，聚戊二醛溶液的制备：室温20-25℃下，将戊二醛水溶液和等体积纯水与3/5体积的氢氧化钠水溶液搅拌混合20-60min后，上述混合溶液中加入3/5体积盐酸，最后得到聚戊二醛溶液，其中，戊二醛水溶液的质量百分数为20-60％，盐酸的浓度为1-2M，氢氧化钠水溶液的浓度为1-2M。
在步骤2中，酶溶液与聚戊二醛混合的体积比为1:(1-5)。
在步骤2中，甘油磷酸钙化溶液的制备：将甘油磷酸钙溶于三乙醇胺缓冲溶液中，即得到甘油磷酸钙化溶液，其中，三乙醇胺缓冲液的浓度为0.1-0.5M，钙化反应时间为3-10天。
本发明的有益效果为：将碱性磷酸酶与丙烯酰基甘氨酰胺单体溶液混合制备负载碱性磷酸酶的聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶，然后将该水凝胶浸泡在含甘油磷酸钙的三乙醇胺缓冲液中，扩散进水凝胶的甘油磷酸钙被包埋在水凝胶内部的碱性磷酸酶切下磷酸钙，形成无定型的磷酸钙晶体并沉淀在聚合物网络表面实现聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶的矿化从而提高聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶的某些力学性能。该制备方法操作简便，条件温和，易于操作。
附图说明
图1是本发明实施例3制备得到的酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶的场发射电子显微镜照片，其中，a为放大1000倍的照片，b为放大5000倍的照片；
图2是本发明实施例3制备得到的酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶以及未矿化的聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶的红外吸收光谱图，其中，曲线a是未矿化的25wt％聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶水凝胶，曲线b是矿化后的聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1
取27.8mL三乙醇胺，加水至1L配得0.2M三乙醇胺缓冲溶液，用1M HCl溶液将其pH调至9；将11g甘油磷酸钙(CaGP)溶于1L三乙醇胺缓冲溶液制备0.05M的钙化溶液。室温下将10mL戊二醛水溶液(50wt％)和10mL纯水与0.6mL 1M NaOH溶液在恒定搅拌下混合。40min后，加入0.6ml 1M HCl溶液中和混合物。取1μL碱性磷酸酶与14μL PBS缓冲液混合配制2U/μL的酶溶液。将0.25g丙烯酰基甘氨酰胺用1mL去离子水溶解，加入0.0075g光引发剂IRGACURE 1173。取5μL酶溶液，加入5μL聚戊二醛溶液，涡旋振荡。将酶混合溶液与丙烯酰基甘氨酰胺溶液混合，涡旋振荡1min。把溶液倒入矩形模具，紫外交联60min。所得水凝胶用去离子水冲洗后置于钙化溶液中，每日更换钙化溶液，钙化7天得到酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶。
实施例2
取27.8mL三乙醇胺，加水至1L配得0.2M三乙醇胺缓冲溶液，用1M HCl溶液将其pH调至9；将11g甘油磷酸钙(CaGP)溶于1L三乙醇胺缓冲溶液制备0.05M的钙化溶液。室温下将10mL戊二醛水溶液(50wt％)和10mL纯水与0.6mL 1M NaOH溶液在恒定搅拌下混合。30min后，加入0.6ml 1M HCl溶液中和混合物。取1μL碱性磷酸酶与29μL PBS缓冲液混合配制1U/μL的酶溶液。将0.3g丙烯酰基甘氨酰胺用1mL去离子水溶解，加入0.009g光引发剂IRGACURE1173。取5μL酶溶液，加入10μL聚戊二醛溶液，涡旋振荡。将酶混合溶液与丙烯酰基甘氨酰胺溶液混合，涡旋振荡1min。把溶液倒入矩形模具，紫外交联50min。所得水凝胶用去离子水冲洗后置于钙化溶液中，每日更换钙化溶液，钙化5天得到酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶。
实施例3
取27.8mL三乙醇胺，加水至1L配得0.2M三乙醇胺缓冲溶液，用1M HCl溶液将其pH调至9；将11g甘油磷酸钙(CaGP)溶于1L三乙醇胺缓冲溶液制备0.05M的钙化溶液。室温下将10mL戊二醛水溶液(50wt％)和10mL纯水与0.6mL 1M NaOH溶液在恒定搅拌下混合。60min后，加入0.6ml 1M HCl溶液中和混合物。取1μL碱性磷酸酶与14μL PBS缓冲液混合配制2U/μL的酶溶液。将0.3g丙烯酰基甘氨酰胺用1mL去离子水溶解，加入0.009g光引发剂IRGACURE1173。取5μL酶溶液，加入5μL聚戊二醛溶液，涡旋振荡。将酶混合溶液与丙烯酰基甘氨酰胺溶液混合，涡旋振荡1min。把溶液倒入矩形模具，紫外交联40min。所得水凝胶用去离子水冲洗后置于钙化溶液中，每日更换钙化溶液，钙化7天得到酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶。另制备不经矿化的聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶，将0.3g丙烯酰基甘氨酰胺用1mL去离子水溶解，加入0.009g光引发剂IRGACURE 1173，把溶液倒入矩形模具，紫外交联40min。所得水凝胶用去离子水冲洗后置于去离子水中7天。
如图1所示，实施例3制备得到的酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶的场发射扫描电子显微镜照片，观察矿化凝胶网络的微观结构，矿化后的水凝胶呈现高度多孔结构，孔壁附有无机物使得聚合物网络表面粗糙。表明成功获得具有无机相的矿化水凝胶。
如图2所示，实施例3制备得到的酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶与未矿化的水凝胶的红外吸收曲线相比没有明显变化，说明无机相与有机相之间未形成新的化学键，聚合物骨架结构基本没有改变。
使用电子万能材料试验机检测在去离子水中达到溶胀平衡的矿化水凝胶的拉伸性能。由附表可知，矿化水凝胶的伸长率有了显著提升，矿化后的水凝胶的伸长率为600-900％，拉伸强度为0.07-0.1MPa，杨氏模量为0.06-0.1MPa
附表 酶含量不同的矿化25wt％聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶拉伸性能汇总
Figure BDA0002213546880000041
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶，其特征在于：按照下述步骤进行：
步骤1，将碱性磷酸酶与PBS缓冲液混合，得到酶溶液，其中，酶溶液中碱性磷酸酶的浓度为0.5-12U/L；
步骤2，将丙烯酰基甘氨酰胺单体溶于去离子水中，向上述丙烯酰基甘氨酰胺单体的水溶液中加入引发剂，再向步骤1制备得到的酶溶液中加入聚戊二醛溶液，涡旋振荡，得到酶混合溶液，将酶混合溶液与丙烯酰基甘氨酰胺单体的水溶液混合后倒入模具中，置于紫外光下照射反应30-80min，即得到水凝胶，将上述所得水凝胶清洗后，置于甘油磷酸钙化溶液中，每日更换甘油磷酸钙化溶液，钙化2-12天后，即得到酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶，其中，引发剂的用量为丙烯酰基甘氨酰胺单体质量的0.3-6％，酶溶液与聚戊二醛混合的体积比为(1-2):(1-6)。
2.根据权利要求1所述的一种酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶，其特征在于：在步骤1中，酶溶液中碱性磷酸酶的浓度为1-10U/L。
3.根据权利要求1所述的一种酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶，其特征在于：在步骤2中，引发剂采用水溶性自由基光引发剂，IRGACURE 1173或者IRGACURE 2959，引发剂的用量为丙烯酰基甘氨酰胺单体质量的0.5-5％，聚合反应时间为40-60min。
4.根据权利要求1所述的一种酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶，其特征在于：在步骤2中，聚戊二醛溶液的制备：室温20-25℃下，将戊二醛水溶液和等体积纯水与3/5体积的氢氧化钠水溶液搅拌混合20-60min后，上述混合溶液中加入3/5体积盐酸，最后得到聚戊二醛溶液，其中，戊二醛水溶液的质量百分数为20-60％，盐酸的浓度为1-2M，氢氧化钠水溶液的浓度为1-2M，酶溶液与聚戊二醛混合的体积比为1:(1-5)。
5.根据权利要求1所述的一种酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶，其特征在于：在步骤2中，甘油磷酸钙化溶液的制备：将甘油磷酸钙溶于三乙醇胺缓冲溶液中，即得到甘油磷酸钙化溶液，其中，三乙醇胺缓冲液的浓度为0.1-0.5M，钙化反应时间为3-10天。
6.一种酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶的制备方法，其特征在于：按照下述步骤进行：
步骤1，将碱性磷酸酶与PBS缓冲液混合，得到酶溶液，其中，酶溶液中碱性磷酸酶的浓度为0.5-12U/L；
步骤2，将丙烯酰基甘氨酰胺单体溶于去离子水中，向上述丙烯酰基甘氨酰胺单体的水溶液中加入引发剂，再向步骤1制备得到的酶溶液中加入聚戊二醛溶液，涡旋振荡，得到酶混合溶液，将酶混合溶液与丙烯酰基甘氨酰胺单体的水溶液混合后倒入模具中，置于紫外光下照射反应30-80min，即得到水凝胶，将上述所得水凝胶清洗后，置于甘油磷酸钙化溶液中，每日更换甘油磷酸钙化溶液，钙化2-12天后，即得到酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶，其中，引发剂的用量为丙烯酰基甘氨酰胺单体质量的0.3-6％，酶溶液与聚戊二醛混合的体积比为(1-2):(1-6)。
7.根据权利要求6所述的一种酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶的制备方法，其特征在于：在步骤1中，酶溶液中碱性磷酸酶的浓度为1-10U/L。
8.根据权利要求6所述的一种酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶的制备方法，其特征在于：在步骤2中，引发剂采用水溶性自由基光引发剂，IRGACURE 1173或者IRGACURE2959，引发剂的用量为丙烯酰基甘氨酰胺单体质量的0.5-5％，聚合反应时间为40-60min。
9.根据权利要求6所述的一种酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶的制备方法，其特征在于：在步骤2中，聚戊二醛溶液的制备：室温20-25℃下，将戊二醛水溶液和等体积纯水与3/5体积的氢氧化钠水溶液搅拌混合20-60min后，上述混合溶液中加入3/5体积盐酸，最后得到聚戊二醛溶液，其中，戊二醛水溶液的质量百分数为20-60％，盐酸的浓度为1-2M，氢氧化钠水溶液的浓度为1-2M，酶溶液与聚戊二醛混合的体积比为1:(1-5)。
10.根据权利要求6所述的一种酶催化矿化聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶的制备方法，其特征在于：在步骤2中，甘油磷酸钙化溶液的制备：将甘油磷酸钙溶于三乙醇胺缓冲溶液中，即得到甘油磷酸钙化溶液，其中，三乙醇胺缓冲液的浓度为0.1-0.5M，钙化反应时间为3-10天。
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