CN114106152A - 一种喷雾干燥制备三螺旋结构胶原蛋白的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于蛋白制备领域，公开了一种喷雾干燥制备三螺旋结构胶原蛋白的方法。发明人在研究过程中发现通过控制在特定条件下对胶原原液进行喷雾干燥，基本不会破坏胶原蛋白的三螺旋结构，干燥得到的胶原蛋白呈粉末状，粒径集中于1～2.5μm，含水量低于15%，具有较好的保存稳定性，良好的复溶性。复溶得到的胶原原液保持了三螺旋结构，其羟脯氨酸含量不低于9%，其生物活性较喷雾干燥前的胶原原液基本无下降。本发明一些实例制得的胶原蛋白粉，满足注射级要求。本发明一些实例，通过加入基质强度增强剂，可以制备得到3D打印材料的生物墨水。
Description
技术领域
本发明属于蛋白制备领域，涉及一种胶原蛋白的干燥工艺，特别涉及一种喷雾干燥制备具有三螺旋结构胶原蛋白的方法。
背景技术
胶原蛋白是一类含至少28种在遗传学上不同类型的分泌蛋白质家族，主要担任机体的结构支撑功能，具有独特的三螺旋构型，并具有一定的生物学功能。胶原蛋白可通过其三螺旋结构上的结构域与各种细胞膜受体、细胞因子等相互作用实现生物学功能，对细胞粘附、迁移、信号传导及增殖起调控作用，有强的修复功效。因此失去三螺旋结构的胶原，会导致其部分生物活性缺失。
胶原生物相容性良好，且具有独特的生物学功能，是一种被广泛研究和应用的生物医用材料。现有胶原组织提取技术已经开发出了较为成熟的制备工艺，可以成功制备具有三螺旋结构的胶原蛋白。但胶原独特的三螺旋的稳定性依赖于分子间和分子内的各种作用力的协同效应，研究显示热量可使分子间和分子内作用力减弱，从而破坏三螺旋的稳定性(刘龙天. 胶原蛋白三螺旋结构及热稳定性的研究[D]. 中国医学科学院，2009.)，因此胶原蛋白是一种热敏性蛋白。
现有技术制备的三螺旋胶原蛋白原液，胶原蛋白的含量一般不超过0.8%，含有大量的水，导致其储运成本较高。此外，由于胶原原液对热敏感，一般储运温度不能超过30℃，进一步加大了其储运难度。同时，由于胶原溶液粘度高，难以通过浓缩改善其储运性能。
干燥处理是一种常用的生物活性蛋白的保存方法。为了保持胶原蛋白的三螺旋结构，减轻热对活性蛋白的损害，现有技术一般通过冷冻干燥对胶原原液进行干燥。这种方式的能耗巨大，耗时普遍在24 h以上。冻干得到的胶原蛋白成品，主要为海绵状，复溶性差，限制了其使用。
喷雾干燥也是一种常用的低破坏物料的干燥方式，通过于干燥室中将稀料雾化后，在热空气的作用下，水分迅速蒸发得到干燥产品，相对于常规烘干，物料的热损害较低。
小分子肽的热稳定性较好，因此喷雾干燥可以用于制备小分子肽粉。如CN109517868A使用鱼鳔为原料，经模拟胃肠消化和超滤，得到了分子量主要集中在200-600Da，平均分子量为374.2Da的胶原肽液，收集截留液进行喷雾干燥，喷雾干燥的进风温度为180～220℃，出风温度为110～120℃。CN103740791A公开了一种深海鳕鱼鱼皮提取胶原蛋白粉的方法，酶解制备小分子胶原蛋白多肽，最后喷雾干燥。整个过程中温度不超过50℃，以保证胶原蛋白多肽粉的颜色不发黄，无腥味，蛋白的空间组织结构不被破坏，胶原蛋白多肽不易变性，蛋白多肽的活性更高。
亦有文献公开了采用喷雾干燥制备胶原蛋白的方法，为了避免料液粘度过大难以有效喷雾干燥，该方法使用醋酸（HAc）溶液将胶原蛋白稀释至0.5wt%以下，以降低胶原原液的粘度，同时提高胶原的热稳定性；此外，还使用0.2μm的滤膜对胶原液进行过滤以去除微粒和大分子量的胶原。这种方法操作繁琐，能耗大，收率低，此外，醋酸还对设备具有腐蚀性，并会引入额外的杂质。因此，使用喷雾干燥法制备胶原蛋白目前尚未能在实际生产中转化。
在生物3D打印领域，胶原蛋白因其独特的细胞生物活性，是一种非常适宜的细胞支架材料，但是纯胶原基质机械强度不足，一般需要和明胶等配合使用，以提高其力学强度，满足生物3D打印的需要。现有的胶原蛋白粉末难以在中性条件下复溶，限制了其在生物3D打印领域的使用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种喷雾干燥制备三螺旋结构胶原蛋白的方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种喷雾干燥制备三螺旋结构胶原蛋白的方法，包括如下步骤：
将胶原原液导入喷雾干燥机，控制进风温度为39～61℃，进料转速为10～40rpm，出风温度20～58℃；收集得到的胶原蛋白粉，辐照灭菌得到无菌的胶原蛋白粉；
所述胶原原液中胶原蛋白分子的分子量不低于300kDa，溶剂为水。
作为上述方法的进一步改进，进风温度为60±1℃，进料转速为30±2rpm，出风温度50～58℃。
作为上述方法的进一步改进，进风温度为50±1℃，进料转速为25±2 rpm，出风温度30～40℃。
作为上述方法的进一步改进，进风温度为40±1℃，进料转速为18±2 rpm，出风温度20℃～30℃。
作为上述方法的进一步改进，所述胶原原液的浓度为8～30 mg/mL。
作为上述方法的进一步改进，所述喷雾干燥机为连续型喷雾干燥机。
作为上述方法的进一步改进，所述胶原原液的纯度不低于99%。
作为上述方法的进一步改进，所述胶原原液具有完整的三螺旋结构，其羟脯氨酸含量不低于9%。
作为上述方法的进一步改进，所述胶原蛋白粉的粒径为1.0～3.0μm。
作为上述方法的进一步改进，所述胶原原液中添加有基质强度增强剂，混合溶液经过喷雾干燥后制备的粉末可用于生物3D打印材料。
作为上述方法的进一步改进，基质强度增强剂选自明胶等。
本发明的有益效果是：
发明人在研究过程中发现，通过控制在特定条件下对胶原原液进行喷雾干燥，出人意料地基本不会破坏胶原蛋白的三螺旋结构，干燥得到的胶原蛋白呈粉末状，粒径集中于1～2.5μm，含水量低于15%，具有较好的保存稳定性，复溶性佳。复溶得到的胶原原液保持了三螺旋结构，其羟脯氨酸含量不低于9%，其生物活性较喷雾干燥前的胶原原液基本无下降。
本发明的喷雾干燥制备三螺旋结构胶原蛋白的方法，可以使用浓度为8～30 mg/mL的胶原原液，有利于减少能耗。
本发明一些实例制得的胶原蛋白粉，使用的胶原原液的纯度不低于99%，满足注射级要求。
本发明一些实例，通过加入基质强度增强剂，如明胶，可以制备得到用于生物3D打印用的生物墨水。
附图说明
图1是对比例2-1胶原原液喷雾干燥后的照片；
图2是对比例2-2胶原原液喷雾干燥后的照片；
图3是喷雾干燥前胶原原液及实施例2制备的粉末复溶后胶原蛋白水溶液的圆二色谱检测图；
图4是实施例2胶原蛋白粉末的红外光谱图；
图5是胶原蛋白粉的DSC检测结果；
图6是实施例3制备的胶原蛋白粉的电子显微镜扫描图片；
图7是实施例3制备的胶原蛋白粉的另一电子显微镜扫描图片；
图8是实施例3制备的胶原蛋白粉的粒径分布测试结果；
图9是实施例1～3复溶后胶原蛋白水溶液的SDS-PAGE电泳图。
具体实施方式
一种喷雾干燥制备三螺旋结构胶原蛋白的方法，包括如下步骤：
将胶原原液导入喷雾干燥机，控制进风温度为39～61℃，进料转速为10～40rpm，出风温度20～58℃；收集得到的胶原蛋白粉，辐照灭菌得到无菌的胶原蛋白粉；
所述胶原原液中胶原蛋白分子的分子量不低于300 kDa，溶剂为水。
作为上述方法的进一步改进，进风温度为60±1℃，进料转速为30±2rpm，出风温度50～58℃。
作为上述方法的进一步改进，进风温度为50±1℃，进料转速为25±2rpm，出风温度30～40℃。
作为上述方法的进一步改进，进风温度为40±1℃，进料转速为18±2 rpm，出风温度20℃～30℃。
作为上述方法的进一步改进，所述胶原原液的浓度为8～30 mg/mL。这种浓度的胶原原液是胶原蛋白纯化后的常见浓度，避免了进一步浓缩。
作为上述方法的进一步改进，所述喷雾干燥机为连续型喷雾干燥机。
胶原原液的纯度可以根据应用领域而进行相应的选择，为了获得更高品质的三螺旋结构胶原蛋白，如用于注射时，作为上述方法的进一步改进，所述胶原原液的纯度不低于99%。
作为上述方法的进一步改进，所述胶原原液具有完整的三螺旋结构，其羟脯氨酸含量不低于9%。
作为上述方法的进一步改进，所述胶原蛋白粉的粒径为1.0～3.0μm。这种粒径的胶原蛋白粉易于复溶，更方便使用。
作为上述方法的进一步改进，所述胶原原液中添加有基质强度增强剂，混合溶液经过喷雾干燥后制备的粉末可用于生物3D打印材料。这种添加有增强剂的胶原粉末，遇水容易形成具有一定强度的基质，可作为细胞基质使用。
作为上述方法的进一步改进，基质强度增强剂选自明胶等常用的增强剂。
下面结合实例，进一步说明本发明的技术方案。
以下实例中使用的胶原原液，为从动物组织中提取制备得到的胶原蛋白溶液，其浓度为8～30 mg/mL，溶剂为水，具有三螺旋结构。胶原蛋白溶液可以按现有方法制备得到，或按如下方法制备得到：
1）将动物的筋腱进行脱脂、切片、消毒；
2）将上述消毒后的筋腱在超低温条件下进行粉碎，得到细丝状的筋腱纤维；所述的粉碎温度为：-150℃～ -60℃；
3）将粉碎后的筋腱组织进行酸溶酶解，在过滤除渣得到胶原原液；所述的酸溶液为醋酸或盐酸，所述的酶为胃蛋白酶，反应转速为10～100rpm，搅拌时间为：10～72h；反应温度为20℃～35℃。
4）将胶原原液采用超滤纯化系统进行纯化，超滤系统纯化条件为：进口端压力为：10-40psi，回流端压力为0-10psi，进行恒体积的6-12倍超滤，使胶原液的pH值大于4.0，即得到具有生物活性的高纯度的胶原蛋白溶液。
示例性，以下实例中，使用的喷雾干燥器为离心二流体喷雾干燥机。三螺旋结构的完整性采用CD(圆二色谱)检测得到的rpn值表征。
实施例1：
使用的胶原原液由猪跟腱制备得到，纯度99.8%，浓度为8mg/mL，三螺旋结构完整度rpn值为0.12；
喷雾干燥：进风温度为60±1℃，进料转速为30rpm，出风温度50～58℃，收集得到的粉末。
对比例1-1：
使用的胶原原液由猪跟腱制备得到，纯度99.8%，浓度为8mg/mL，三螺旋结构完整度rpn值为0.12；
喷雾干燥：进风温度为60±1℃，进料转速为35rpm，出风温度50～58℃，收集得到的粉末。
对比例1-2：
使用的胶原原液由猪跟腱制备得到，纯度99.8%，浓度为8mg/mL，三螺旋结构完整度rpn值为0.12；
喷雾干燥：进风温度为60±1℃，进料转速为25rpm，出风温度50～58℃，收集得到的粉末。
实施例2：
使用的胶原原液由牛跟腱制备得到，纯度99.8%，浓度为15mg/mL，三螺旋结构完整度rpn值为0.12；
喷雾干燥：进风温度：进风温度为50±1℃，进料转速为25 rpm，出风温度30～40℃，收集得到的粉末。
对比例2-1：
使用的胶原原液由牛跟腱制备得到，纯度99.8%，浓度为15mg/mL，三螺旋结构完整度rpn值为0.12；
喷雾干燥：进风温度：进风温度为50±1℃，进料转速为30rpm，出风温度30～40℃，收集得到的粉末。
对比例2-2：
使用的胶原原液由牛跟腱制备得到，纯度99.8%，浓度为15mg/mL，三螺旋结构完整度rpn值为0.12；
喷雾干燥：进风温度：进风温度为50±1℃，进料转速为15rpm，出风温度30～40℃，收集得到的粉末。
实施例3：
使用的胶原原液由鼠尾制备得到，纯度99.8%，浓度为20 mg/mL，三螺旋结构完整度rpn值为0.12；
喷雾干燥：进风温度为40±1℃，进料转速为18 rpm，出风温度20℃～30℃，收集得到的粉末，辐照灭菌。
对比例3-1：
使用的胶原原液由鼠尾制备得到，纯度99.8%，浓度为20 mg/mL，三螺旋结构完整度rpn值为0.12；
喷雾干燥：进风温度为40±1℃，进料转速为23rpm，出风温度20℃～30℃，收集得到的粉末，辐照灭菌。
对比例3-2：
使用的胶原原液由鼠尾制备得到，纯度99.8%，浓度为20 mg/mL，三螺旋结构完整度rpn值为0.12；
喷雾干燥：进风温度为40±1℃，进料转速为10rpm，出风温度20℃～30℃，收集得到的粉末，辐照灭菌。
实施例4：
使用的胶原原液由鼠尾制备得到，纯度99.8%，浓度为30 mg/mL，三螺旋结构完整度rpn值为0.12，胶原原液中还添加有 1～10 mg/mL的明胶；
喷雾干燥：进风温度：50±1℃；进料转速为25 rpm，出风温度20℃～30℃，收集得到的粉末，辐照灭菌。
对比例4-1：
使用的胶原原液由鼠尾制备得到，纯度99.8%，浓度为30 mg/mL，三螺旋结构完整度rpn值为0.12，胶原原液中还添加有 1～10 mg/mL的明胶；
喷雾干燥：进风温度：50±1℃；进料转速为30 rpm，出风温度20℃～30℃，收集得到的粉末，辐照灭菌。
对比例4-2：
使用的胶原原液由鼠尾制备得到，纯度99.8%，浓度为30 mg/mL，三螺旋结构完整度rpn值为0.12，胶原原液中还添加有 1～10 mg/mL的明胶；
喷雾干燥：进风温度：50±1℃；进料转速为10 rpm，出风温度20℃～30℃，收集得到的粉末，辐照灭菌。
产品质量检测
对制备得到的胶原蛋白粉的形态、含水率、复溶性进行检测，结果如表1所示。
表1
检测结果显示，进料转速、进风温度对干燥效果有着难以预计的影响，只有特定的速度范围下，才能得到均匀的胶原蛋白粉末。同样的进风温度下，转速过高或过低，均会导致物料无法完全干燥团聚(如图1)或者物料焦化(如图2)，难以得到均匀的胶原蛋白粉末，也导致颗粒内部难以有效干燥，对产品质量有着非常不利的影响。
生物活性检测
使用实施例2喷雾干燥前的胶原原液和干燥粉末复溶得到的胶原原液，按SDS-PAGE电泳、圆二色谱检测（CD）等方法测试其生物活性，结果如表2、图3～9所示。
表2
图3是喷雾干燥前胶原原液及实施例2制备得到的胶原蛋白粉末复溶后胶原蛋白水溶液的圆二色谱检测图，从图中可以看出，两个样品在～198nm处有一个负吸收峰，在～221nm处有一个正吸收峰，这是典型的胶原蛋白的结构特征。
有文献报道，完整胶原分子的rpn值为0.12-0.15之间。实施例2的胶原蛋白粉末复溶后胶原蛋白水溶液的rpn值为0.12，说明实施例2的胶原蛋白粉末复溶后，其中的胶原蛋白依然具有完整的三螺旋结构。
图4是实施例2胶原蛋白粉末的红外光谱图，主要特征峰如表3所示。
表3
由图4和表3可知，样品中主要成分是胶原蛋白，且具有完整的三螺旋结构。
图5是胶原蛋白粉的DSC检测结果，图中可以看出，其峰值温度为93.17℃，对应的焓值为-249.11mV℃。由此显示出其热变性温度为93.17℃。由现有数据可知，纯胶原蛋白海绵的热变性温度也在这个温度范围内，因此可确定胶原蛋白粉保持原有的生物特性。
图6和图7是实施例3制备得到的胶原蛋白粉的电子显微镜扫描图片，图8是粒径分布测试结果。从图6～8可以看出，胶原蛋白粉的颗粒大小比较均匀，大致呈球形，粒径集中在1～2μm左右。
图9是实施例1～3复溶后胶原蛋白水溶液的SDS-PAGE电泳图，从图中可以看出不同实施例制备的胶原蛋白粉保持原有的大分子结构。
生物3D打印
在一定浓度的明胶PBS缓冲溶解中悬浮成纤维细胞，加入少量的胶原蛋白粉(实施例4)，此体系可以防止细胞沉降，以胶原和明胶体系形成的聚合物组分，不需要添加其它的聚合物，采用3D打印技术即可以用活细胞制备组织状结构。
以上是对本发明所作的进一步详细说明，不可视为对本发明的具体实施的局限。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的简单推演或替换，都在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种喷雾干燥制备三螺旋结构胶原蛋白的方法，包括如下步骤：
将胶原原液导入喷雾干燥机，控制进风温度为39～61℃，进料转速为10～40rpm，出风温度20～58℃；收集得到的胶原蛋白粉，辐照灭菌得到无菌的胶原蛋白粉；
所述胶原原液中胶原蛋白分子的分子量不低于300 kDa，溶剂为水。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：进风温度为60±1℃，进料转速为30±2rpm，出风温度50～58℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：进风温度为50±1℃，进料转速为25±2rpm，出风温度30～40℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：进风温度为40±1℃，进料转速为18±2rpm，出风温度20℃～30℃。
5.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于：所述胶原原液的浓度为8～30mg/mL。
6.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于：所述喷雾干燥机为连续型喷雾干燥机。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述胶原原液的纯度不低于99%。
8.根据权利要求1或7所述的方法，其特征在于：所述胶原原液具有完整的三螺旋结构，其羟脯氨酸含量不低于9%。
9.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于：制得的胶原蛋白粉的粒径为1.0～3.0μm。
10.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于：所述胶原原液中还添加有基质强度增强剂，混合溶液经过喷雾干燥后制备的粉末可用于生物3D打印材料。
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