CN115466410B - 一种光敏性丝素蛋白柔性凝胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光敏性丝素蛋白柔性凝胶及其制备方法。该柔性凝胶材料通过甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白、多巴胺修饰的透明质酸、氯化钙以及光引发剂在室温避光条件下均匀混合，经过紫外光照射制备而成。本发明制备的丝素蛋白柔性凝胶材料具有成型快速、韧性强、生物相容性好、湿态环境下粘合强度高等特点。其操作简单易掌握，在生物医学工程、柔性电子器件、组织修复材料等领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于柔性凝胶制备领域，具体涉及一种光敏性丝素蛋白柔性凝胶及其制备方法。
背景技术
可植入材料、人工智能和可穿戴电子器件的发展使得人们对柔性材料的需求更加迫切。作为典型的柔性材料，凝胶材料具有良好的粘弹性、透明性、生物相容性以及与人体软组织类似的结构和性能，在细胞治疗、生物传感器、组织工程等生物医学、柔性电子与器件、环境保护和检测探测等领域中有着广泛而实际的应用需求。
为了满足在不同领域中的需求，需要对其力学性能、生物相容性、功能性和智能化等进行设计调控。具有高韧性、自愈合性能、良好生物活性，以及对物理化学刺激（如光、电场、磁场、温度以及酸碱度等）响应性的功能水凝胶材料的设计和性能调控成为柔性材料的重要发展方向。探索新思路来设计制备新型功能、高性能柔性凝胶材料，从而实现各种性能和功能的整合和协同作用，是柔性凝胶材料发展需要解决的关键科学问题。
光敏性凝胶是指采用特定波长的光照，触发单一组分水凝胶前体溶液或复合水凝胶预聚物发生胶凝化而形成的固态凝胶材料。相比于其它刺激方式（如温度或酸碱度等），光交联的方式可以避免与材料的直接接触，提高施加的可操作性，在可植入材料、人工智能和可穿戴电子器件领域具有潜在的应用前景。但现有的光敏性水凝胶存在生物相容性较差，与生物体接触后容易产生炎症反应并且在生物体内不易降解或降解产物不安全。丝素蛋白是来源于家蚕的天然蛋白质，具有良好的生物相容性、适宜的生物降解性等生物医学方面的性能，已经被FDA批准可应用于医用设备。当前，已有专利报道光交联丝素蛋白水凝胶的制备。公开号为CN 114773549 A的中国发明专利“一种新型甲基丙烯酸酐改性丝素的制备方法”中，通过经丝素蛋白进行甲基丙烯酸缩水甘油酯改性，再用液氮低温处理、冷冻干燥，得到液氮-甲基丙烯酰化丝素蛋白，经过光交联制备丝素蛋白水凝胶。公开号为CN114524953 A 的中国发明专利“一种丝素蛋白/透明质酸复合水凝胶、制备方法和应用”中，以丝素蛋白和透明质酸为原料，将丝素蛋白通过甲基丙烯酸缩水甘油酯修饰，将透明质酸通过甲基丙烯酸酐修饰，将修饰的产物混合溶于去离子水，利用紫外光驱动交联得到水凝胶。但上述的甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白光交联水凝胶由于缺乏湿态粘附功能基团以及多重分子间相互作用，导致它们在湿态环境（水和血液等）下与生物体表面的粘合强度较低，机械韧性较差，不能适应湿态生理环境下组织界面的动态粘附等问题，限制了其在生物医学工程、柔性电子器件、组织修复材料等领域的应用。
因此，本发明以甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白为基质材料，加入多巴胺接枝的透明质酸、金属钙离子以及光引发剂，采用紫外光照射使混合溶液在1-60秒内快速交联聚合，引入化学共价键交联和非共价多酚金属离子键动态交联，得到具有机械韧性强、湿态环境下粘合强度高、成型粘合速度快、生物相容性好的丝素蛋白柔性凝胶材料。甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白在紫外光照射下形成化学共价键交联，透明质酸上修饰的多巴胺基团与金属钙离子之间形成动态的多酚-金属离子键，赋予了柔性凝胶材料出色湿态黏附能力和优异的机械韧性。目前，在国内外有关的专利中，还未有相关的光敏性丝素蛋白柔性凝胶材料研究报道。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术不足，提供一种成型快速、韧性强、生物相容性好、湿态环境下粘合强度高的光敏性柔性凝胶材料。本发明克服了现有光敏性柔性凝胶材料的固化成型时间长、生物相容性差、湿态环境下粘合强度低、机械韧性较差等方面的问题，制备的光敏性丝素蛋白柔性凝胶材料在生物医学工程、柔性电子器件、组织修复材料等领域具有广泛的应用前景。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光敏性丝素蛋白柔性凝胶的制备方法：以甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白为基质，加入多巴胺修饰的透明质酸、氯化钙以及光引发剂，室温避光搅拌均匀，采用紫外光照射使混合溶液在60秒内快速交联聚合，在化学共价键交联和非共价多酚金属离子键动态交联存在下，得到光敏性丝素蛋白柔性材料。
进一步的，一种光敏性丝素蛋白柔性凝胶材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）制备甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白溶液：将去离子水加热至沸腾后，加入Na2CO3和蚕丝，对蚕丝进行脱胶处理；洗涤烘干后，将烘干的脱胶蚕丝用溴化锂溶液溶解，得到丝素蛋白溶液，随后加入甲基丙烯酸缩水甘油酯对丝素蛋白进行改性，然后用去离子水透析；透析后的溶液经离心过滤处理得到甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白溶液；所述的甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白溶液的质量百分浓度在0.1 % - 50 %或浓度为0.01 mg/mL - 500mg/mL之间。
（2）制备多巴胺修饰的透明质酸溶液：将透明质酸钠充分溶解于去离子水中，随后加入1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺，活化羧基；活化结束后加入盐酸多巴胺反应过夜，反应过程中控制反应体系pH ≤ 5；所得溶液经透析，冷冻干燥处理后得到白色海绵状物质，用去离子水溶解得到多巴胺修饰的透明质酸溶液；所述的多巴胺修饰的透明质酸溶液的质量百分浓度在0.1 % - 50 % 。
（3）制备光敏性丝素蛋白柔性凝胶：将步骤（2）制得的多巴胺修饰的透明质酸溶液、氯化钙和光引发剂LAP，室温避光下溶解于步骤（1）制得的甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白溶液中，避光搅拌均匀，得到柔性凝胶材料的前体溶液；该前体溶液在紫外光照射下60秒内快速交联聚合，得到丝素蛋白柔性凝胶。所述的多巴胺修饰的透明质酸与甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白的质量比为100:1 - 1:100。所述的紫外光照射的紫外光波长为200-400纳米。所述的紫外光照射时间为1-60秒。
本发明的显著优点在于：
（1）本发明以丝素蛋白作为柔性凝胶材料的主要成分，制备甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白，赋予水凝胶光敏特性。在改性的丝素蛋白的基础上，加入多巴胺修饰的透明质酸、氯化钙以及光引发剂。在紫外光照射下甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白形成化学共价键交联并诱导丝素蛋白分子的构象转变为β-sheet，透明质酸上修饰的多巴胺基团与金属钙离子之间形成动态的多酚-金属离子键，赋予了柔性凝胶材料优异的机械韧性。与传统的甲基丙烯酸酯化丝素蛋白光交联水凝胶相比，本发明的机械韧性显著增强。本发明柔性凝胶的拉伸伸长率为200%以上，韧性强度为25 KJ/m3以上。而传统的甲基丙烯酸酯化丝素蛋白光交联水凝胶仅是依靠甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白形成化学共价键交联，没有引入具有动态能量耗散机制的离子键等分子间相互作用，导致机械韧性较差。传统的甲基丙烯酸酯化丝素蛋白光交联水凝胶的拉伸伸长率约为50%，韧性强度约为4.5 KJ/m3。
（2）本发明中光触发的非入侵交联方式能够实现在紫外光照射下1-60秒内快速交联成型，其快速交联成型原理归因于甲基丙烯酸酯化丝素蛋白中甲基丙烯酸酯基团的快速可光交联反应、透明质酸上修饰的多巴胺基团与金属钙离子之间的快速多酚-金属离子键以及丝素蛋白分子与多巴胺基团之间快速的静电相互作用。本发明有效避免了长时间紫外光照射造成的环境危害，提高柔性凝胶材料施加的时空可控性和人体组织的适应性。
（3）透明质酸接枝的多巴胺基团能够与潮湿的生物组织表面紧密结合，基于在化学共价键交联和多酚-金属离子键动态交联的协同作用，显著提高了凝胶在湿态环境下与生物体表面的粘合强度，赋予了出色湿态黏附能力。传统的光交联丝素蛋白缺乏湿态粘附功能团，在湿态环境的粘合强度较差，不能适应湿态界面的动态粘附。
（4）本发明中的柔性凝胶材料可以根据生物体基底需求进行不同大小和形状的粘合，原位固化的特点为应用提供了便捷。
（5）本发明的原料均来自天然化合物，因此具有良好的生物相容性。
（6）本发明操作简单，易于批量化生产等优势，具有良好的产业化前景。
附图说明
图1 光敏性丝素蛋白柔性凝胶材料的流变模量表征，G’代表储能模量、G”代表损耗模量。
图2 传统的丝素蛋白光交联凝胶与光敏性丝素蛋白柔性凝胶的拉伸伸长率和韧性强度区别。
具体实施方式
为了验证设计的可行性，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，但是本发明应用不仅限于此。
实施例1
（1）将1 L去离子水加热至沸腾后，加入5.3 g碳酸钠，待其充分溶解。将40 g家蚕蚕丝放入其中，100 ℃脱胶处理30分钟。将煮过的蚕丝取出用去离子水充分洗涤，于60 ℃烘箱中烘干。将烘干的脱胶蚕丝加入到9.3M 的LiBr溶液中60 ℃下溶解1 h得到丝素蛋白溶液，随后在丝素蛋白溶液中加入12 mL甲基丙烯酸缩水甘油酯，60 ℃下反应3 h，反应过程全程避光。将反应后的溶液装入透析袋中，用去离子水透析7天，透析过程全程避光。透析后的溶液经过滤离心，浓缩后得到质量分数约为25 %的甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白溶液。
（2）向圆底烧瓶中加入400 mg透明质酸钠和50 ml去离子水，磁力搅拌下充分溶解。随后加入383.4 mg EDC和230.18 mg NHS，活化羧基，调节反应溶液pH至5。加入189.62mg盐酸多巴胺，搅拌过夜反应12h。反应结束后将所得溶液装入透析袋透析24 h。透析结束后将所得溶液于冷冻干燥得到白色海绵状物质，用去离子水溶解得到质量分数约为5 %的多巴胺修饰的透明质酸溶液。
（3）在室温避光条件下，向5ml甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白溶液中加入1ml多巴胺修饰的透明质酸溶液、0.1 ml浓度为0.75 M的氯化钙溶液，待混匀后加入终浓度为0.03wt%的LAP引发剂，搅拌混匀获得柔性凝胶材料的前体溶液。该前体溶液在紫外光下（波长365纳米）光照8秒内迅速交联，得到丝素蛋白柔性凝胶。
与传统的丝素蛋白凝胶相比，实施例1制备的光敏性丝素蛋白柔性凝胶材料的拉伸性能和韧性强度显著增强。图1是光敏性丝素蛋白柔性凝胶材料的流变模量表征。在丝素蛋白凝胶光交联过程中，前体溶液起初表现为液态（G’<G”）。紫外光照射5秒内发生凝胶化表现为固态（G’>G”）。图2是传统的丝素蛋白光交联凝胶与光敏性丝素蛋白柔性凝胶的拉伸伸长率和韧性强度区别。本发明光敏性丝素蛋白柔性凝胶的拉伸伸长率为200%，韧性强度为26 KJ/m3。而传统的甲基丙烯酸酯化丝素蛋白光交联凝胶（对比例1）的拉伸伸长率为50%，韧性强度为4.5 KJ/m3。
实施例2
（1）将2 L去离子水加热至沸腾后，加入8.48 g碳酸钠，待其充分溶解。将20 g家蚕蚕丝放入其中，100 ℃脱胶处理30分钟。将煮过的蚕丝取出用去离子水充分洗涤，于50 ℃烘箱中烘干。将烘干的脱胶蚕丝加入到9.3M 的LiBr溶液中60 ℃下溶解3 h得到丝素蛋白溶液，随后在丝素蛋白溶液中加入6 mL甲基丙烯酸缩水甘油酯，60 ℃下反应3 h，反应过程全程避光。将反应后的溶液装入透析袋中，用去离子水透析7天，透析过程全程避光。透析后的溶液经过滤离心，浓缩后得到质量分数约为5 %的甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白溶液。
（2）向圆底烧瓶中加入2 g透明质酸钠和50 ml去离子水，磁力搅拌下充分溶解。随后加入1.5 g EDC和1 g NHS，活化羧基，调节反应溶液pH至5。加入1.5 g盐酸多巴胺，搅拌过夜反应12h。反应结束后将所得溶液装入透析袋透析24 h。透析结束后将所得溶液于冷冻干燥得到白色海绵状物质，用去离子水溶解得到质量分数约为50 %的多巴胺修饰的透明质酸溶液。
（3）在室温避光条件下，向10 ml甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白溶液中加入5 ml多巴胺修饰的透明质酸溶液、0.3 ml浓度为0.75 M的氯化钙溶液，待混匀后加入终浓度为0.06wt%的LAP引发剂，搅拌混匀获得柔性凝胶材料的前体溶液。该前体溶液在紫外光下（波长250纳米）光照40秒内迅速交联，得到丝素蛋白柔性凝胶。
该丝素蛋白柔性凝胶用于柔性电子器件的水下粘合固定。实施例2制备的柔性凝胶拉伸伸长率为260%，韧性强度为30 KJ/m3。
实施例3
（1）将10 L去离子水加热至沸腾后，加入50 g碳酸钠，待其充分溶解。将300 g家蚕蚕丝放入其中，100 ℃脱胶处理30分钟。将煮过的蚕丝取出用去离子水充分洗涤，于70 ℃烘箱中烘干。将烘干的脱胶蚕丝加入到9.3M 的LiBr溶液中60 ℃下溶解5 h得到丝素蛋白溶液，随后在丝素蛋白溶液中加入130 mL甲基丙烯酸缩水甘油酯，60 ℃下反应6 h，反应过程全程避光。将反应后的溶液装入透析袋中，用去离子水透析5天，透析过程全程避光。透析后的溶液经过滤离心，浓缩后得到质量分数约为40 %的甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白溶液。
（2）向圆底烧瓶中加入900 mg透明质酸钠和50ml去离子水，磁力搅拌下充分溶解。随后加入800 mg EDC和500 mg NHS，活化羧基，调节反应溶液pH至5。加入450 mg盐酸多巴胺，搅拌过夜反应12h。反应结束后将所得溶液装入透析袋透析24 h。透析结束后将所得溶液于冷冻干燥得到白色海绵状物质，用去离子水溶解得到质量分数约为20%的多巴胺修饰的透明质酸溶液。
（3）在室温避光条件下，向40 ml甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白溶液中加入10 ml多巴胺修饰的透明质酸溶液、5 ml浓度为0.75 M的氯化钙溶液，待混匀后加入终浓度为0.02wt%的LAP引发剂，搅拌混匀获得柔性凝胶材料的前体溶液。该前体溶液在紫外光下（波长400纳米）光照15秒内迅速交联。得到丝素蛋白柔性凝胶。
实施例3制备的柔性凝胶拉伸伸长率为300%，韧性强度为40 KJ/m3。
对比例1（传统的甲基丙烯酸酯化丝素蛋白光交联水凝胶）
（1）同实施例1步骤（1）；
（2）在室温避光条件下，向5ml甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白溶液中加入终浓度为0.03wt%的LAP 引发剂，搅拌混匀获得前体溶液。该前体溶液在紫外光下（波长365纳米）光照交联，得到丝素蛋白凝胶。
对比例2（丝素蛋白未经甲基丙烯酸酯化）
（1）将1 L去离子水加热至沸腾后，加入5.3 g碳酸钠，待其充分溶解。将40 g家蚕蚕丝放入其中，100 ℃脱胶处理30分钟。将煮过的蚕丝取出用去离子水充分洗涤，于60 ℃烘箱中烘干。将烘干的脱胶蚕丝加入到9.3M 的LiBr溶液中60 ℃下溶解1 h得到丝素蛋白溶液，将反应后的溶液装入透析袋中，用去离子水透析7天，透析过程全程避光。透析后的溶液经过滤离心，浓缩后得到质量分数约为25 %的丝素蛋白溶液。
（2）同实施例1步骤（2）；
（3）除紫外光照交联时间不同，其余同实施例1步骤（3）。
对比例3（未加入多巴胺修饰的透明质酸）
（1）同实施例1步骤（1）；
（2）在室温避光条件下，向5ml甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白溶液中加入0.1 ml浓度为0.75 M的氯化钙溶液，待混匀后加入终浓度为0.03wt%的LAP引发剂，搅拌混匀获得凝胶材料的前体溶液。该前体溶液在紫外光下（波长365纳米）光照交联，得到丝素蛋白凝胶。
对比例4（加入的透明质酸未经多巴胺修饰）
（1）同实施例1步骤（1）；
（2）向圆底烧瓶中加入透明质酸钠和去离子水，磁力搅拌下充分溶解，得到质量分数约为5%的透明质酸溶液；
（3）在室温避光条件下，向5 ml甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白溶液中加入1 ml透明质酸溶液、0.1 ml浓度为0.75 M的氯化钙溶液，待混匀后加入终浓度为0.03wt%的LAP引发剂，搅拌混匀获得凝胶材料的前体溶液。该前体溶液在紫外光下（波长365纳米）光照交联，得到丝素蛋白凝胶。
上述采用单因素原则，制备的对比例2-4凝胶组（丝素蛋白未经甲基丙烯酸酯化、未加入多巴胺修饰的透明质酸、加入的透明质酸未经多巴胺修饰）的拉伸伸长率以及韧性强度均差于本发明实施例1。
以上所述仅为本发明的实施例，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 (5)
1.一种光敏性丝素蛋白柔性凝胶的制备方法，其特征在于：以甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白为基质，加入多巴胺修饰的透明质酸、氯化钙以及光引发剂，室温避光搅拌均匀，采用紫外光照射使混合溶液在60秒内快速交联聚合，在化学共价键交联和非共价多酚金属离子键动态交联存在下，得到光敏性丝素蛋白柔性材料；
光敏性丝素蛋白柔性凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）制备甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白溶液：将去离子水加热至沸腾后，加入Na2CO3和蚕丝，对蚕丝进行脱胶处理；洗涤烘干后，将烘干的脱胶蚕丝用溴化锂溶液溶解，得到丝素蛋白溶液，随后加入甲基丙烯酸缩水甘油酯对丝素蛋白进行改性，然后用去离子水透析；透析后的溶液经离心过滤处理得到甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白溶液；
（2）制备多巴胺修饰的透明质酸溶液：将透明质酸钠充分溶解于去离子水中，随后加入1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺，活化羧基；活化结束后加入盐酸多巴胺反应过夜，反应过程中控制反应体系pH ≤ 5；所得溶液经透析，冷冻干燥处理后得到白色海绵状物质，用去离子水溶解得到多巴胺修饰的透明质酸溶液；
（3）制备光敏性丝素蛋白柔性凝胶：将步骤（2）制得的多巴胺修饰的透明质酸溶液、氯化钙和光引发剂，室温避光下溶解于步骤（1）制得的甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白溶液中，避光搅拌均匀，得到柔性凝胶材料的前体溶液；该前体溶液在紫外光照射下60秒内快速交联聚合，得到丝素蛋白柔性凝胶；
步骤（1）中所述的甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白溶液的质量百分浓度在0.1 % - 50 %；
步骤（2）中所述的多巴胺修饰的透明质酸溶液的质量百分浓度在0.1 % - 50 %；
步骤（3）中所述的多巴胺修饰的透明质酸与甲基丙烯酸酯化的丝素蛋白的质量比为100:1-1:100。
2.根据权利要求1所述的一种光敏性丝素蛋白柔性凝胶的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述的紫外光照射的紫外光波长为200-400纳米。
3.根据权利要求1所述的一种光敏性丝素蛋白柔性凝胶的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述的紫外光照射时间为1-60秒。
4.根据权利要求1所述的一种光敏性丝素蛋白柔性凝胶的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述的光引发剂为光引发剂LAP。
5.一种如权利要求1~4任一项所述的制备方法制得的光敏性丝素蛋白柔性凝胶。
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