CN116059450A - 基于酶催化交联的多孔材料的制备方法及多孔材料 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及生物材料技术领域领域，提供了一种基于酶催化交联的多孔材料的制备方法及多孔材料。上述基于酶催化交联的多孔材料的制备方法包括：分别制备再生丝素蛋白溶液和再添加溶液；将上述再生丝素蛋白溶液和上述再添加溶液混合得到预混溶液；向上述预混溶液中加入交联剂进行交联，得到混合溶液；基于上述混合溶液得到多孔材料。本公开实施例与现有技术相比存在的有益效果是：通过再添加溶液对丝素蛋白多孔材料进行改性，基于酶催化交联制备了一种孔径规整、孔隙均匀、孔隙率高且具备优异力学性能和生物相容性的多孔支架凝胶材料。

Description

基于酶催化交联的多孔材料的制备方法及多孔材料
技术领域
本公开涉及生物材料技术领域，特别涉及基于酶催化交联的多孔材料的制备方法及多孔材料。
背景技术
骨缺损修复一直是国际研究的热点，目前现有技术中可采用骨移植(自体骨移植和异体骨移植)、组织工程技术、膜引导性组织再生、基因疗法、生长因子诱导等技术来治疗骨缺损。
常用的自体移植与异体移植因来源有限、供体损伤及免疫排斥而受限。骨组织工程通过在骨缺损区域创建活跃的人工成骨微环境而成为骨移植的新型替代方法，其核心要素为生物支架材料。水凝胶技术是组织工程和可再生医疗等领域研究的热点，水凝胶技术具有与人体细胞外基质相似的高含水率及优异的仿生性能，是理想的三维细胞培养系统和细胞输送系统。包裹在水凝胶内的细胞可以很容易地从靶区被注射到患者体内，从而避免额外开放性手术，并使患有不规则的、深或封闭缺损的病人和患者更好地受益。由丝素蛋白(Silk fibroin,SF)制备的水凝胶因为它们具有自然安全、生物相容性好、降解速率可控、可与其他材料复合等优点而受到广泛关注，它们在我国现代生物医疗技术中有着广泛的应用前景。然而，传统的丝素蛋白水凝胶网络结构简单，功能单一，对复杂的应用环境适应性较差。大大的限制了它的应用及发展。
发明内容
（一）发明目的
鉴于上述问题，本申请的目的在于通过再添加溶液对丝素蛋白凝胶材料进行改性，基于酶催化交联得到一种孔径规整、孔隙均匀、孔隙率高且具备优异力学性能和生物相容性的多孔材料。
（二）技术方案
本公开实施例的第一方面，提供了基于酶催化交联的多孔材料的制备方法，包括：
步骤S1、分别制备再生丝素蛋白溶液和再添加溶液；
步骤S2、将上述再生丝素蛋白溶液和上述再添加溶液混合得到预混溶液；
步骤S3、向上述预混溶液中加入交联剂进行交联，得到混合溶液；
步骤S4、基于上述混合溶液得到多孔材料。
其中上述再添加溶液包括石墨烯溶液、氧化石墨烯溶液、多孔氧化石墨烯溶液中的至少一种。
在一种可能的实施方式中，上述再添加溶液为多孔氧化石墨烯溶液。
在一种可能的实施方式中，上述再生丝素蛋白溶液中再生丝素蛋白的质量百分数为30%~35%。
在一种可能的实施方式中，上述再生丝素蛋白溶液是通过以下步骤制备的：
将生丝进行脱胶和烘干，得到丝素纤维；
将上述丝素纤维溶解于溴化锂溶液中得到丝素蛋白水溶液；
将上述丝素蛋白水溶液进行透析生成再生丝素蛋白溶液。
在一种可能的实施方式中，当上述再添加溶液为氧化石墨烯溶液时，上述氧化石墨烯溶液的浓度为3-5mg/mL，上述氧化石墨烯的添加量为再生丝素蛋白溶液的0.05wt%-0.1wt%。
在一种可能的实施方式中，当上述再添加溶液为多孔氧化石墨烯溶液时，上述多孔氧化石墨烯溶液的浓度为0.1-0.3g/L，上述多孔氧化石墨烯与上述丝素蛋白的质量比为1-2:1。
在一种可能的实施方式中，上述步骤S3包括：
向上述预混溶液中加入辣根过氧化酶和过氧化氢进行酶催化交联，得到混合溶液。
在一种可能的实施方式中，上述辣根过氧化酶和过氧化氢的质量比为1:1。
本公开实施例的第二方面，提供了一种基于酶催化交联的多孔材料，上述多孔材料为多孔支架凝胶材料
在一种可能的实施方式中，上述多孔材料包括石墨烯、氧化石墨烯、多孔氧化石墨烯中的至少一种。
（三）有益效果
本公开实施例与现有技术相比存在的有益效果是：通过再添加溶液对丝素蛋白多孔材料进行改性，基于酶催化交联制备了一种孔径规整、孔隙均匀、孔隙率高且具备优异力学性能和生物相容性的多孔支架凝胶材料。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是根据本公开的改性丝素蛋白凝胶材料的制备方法的一些实施例的流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。
另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要注意，本公开中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。
需要注意，本公开中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。
本公开实施方式中的多个装置之间所交互的消息或者信息的名称仅用于说明性的目的，而并不是用于对这些消息或信息的范围进行限制。
下面参考图1详细描述本公开的改性丝素蛋白凝胶材料的制备方法，包括以下步骤S1-S4。
步骤S1：分别制备再生丝素蛋白溶液和再添加溶液；
在一些实施例中，再生丝素蛋白溶液由以下步骤进行制备：
第一步，将生丝进行脱胶和烘干，得到丝素纤维；
具体的，使用电子天平精准称取一定质量的生丝，将上述生丝放入质量百分数为0.5%-1%的碳酸钠水溶液中，在100℃下加热煮沸30min，重复煮沸三次，每次煮沸后使用去离子水漂洗去除生丝中的丝胶，并将脱胶后的蚕丝置于烘箱中进行烘干，得到丝素纤维。
第二步，将上述丝素纤维溶解于溴化锂溶液中得到丝素蛋白水溶液；
具体的，将上述丝素纤维溶解于摩尔浓度为9.0mol/L的溴化锂水溶液中，然后进行过滤，去除杂质和LiBr后得到丝素蛋白水溶液。
第三步，将上述丝素蛋白水溶液进行透析生成再生丝素蛋白溶液。
具体的，透析是指将冷却后的丝素蛋白溶液倒入透析袋（溶液占透析袋体积的1/3-2/3）中，在6~12℃的温度下放入去离子水中透析3-5天，将透析过的再生丝素蛋白溶液离心后放于冰箱内备用。
在一些实施例中，再生丝素蛋白溶液中再生丝素蛋白的质量百分数为30%~35%。
在一些实施例中，再添加溶液包括石墨烯溶液、氧化石墨烯溶液、多孔氧化石墨烯溶液中的至少一种；作为示例，上述再添加溶液可以是石墨烯溶液、可以是氧化石墨烯溶液、可以是多孔氧化石墨烯溶液、可以是石墨烯溶液和多孔氧化石墨烯溶液的混合物、可以是石墨烯溶液和氧化石墨烯溶液的混合物。进一步，作为优选，上述再添加溶液为多孔氧化石墨烯溶液。
当上述再添加溶液为氧化石墨烯溶液时，上述氧化石墨烯溶液的浓度为3-5mg/mL，上述氧化石墨烯的添加量为再生丝素蛋白溶液的0.05wt%-0.1wt%；
需要说明的是，通过氧化石墨烯溶液改性的凝胶材料内部呈多孔结构，是一种多孔支架，且孔隙之间互相贯通，随着氧化石墨烯含量的增加，孔隙缩小，这是由于掺入SF溶液中时，两者之间的氢键作用使混合溶液的粘度增大，使得水分子自由运动变慢，且随着GO含量的增加，孔隙变得更加规整，孔径大小几乎一致。且水凝胶中GO没有相分离，没有团聚和沉淀，说明在SF水凝胶中加入GO可以达到很好的结合。SF/GO复合水凝胶具有良好的表观结构和成形性，当氧化石墨烯溶液的含量为再生丝素蛋溶液的0.05%-0.1%时，孔径比较规则，孔的形状为圆形且连通性好。
作为优选，当上述再添加溶液为多孔氧化石墨烯溶液时，上述多孔氧化石墨烯溶液的浓度为0.1-0.3g/L，上述多孔氧化石墨烯与上述丝素蛋白的质量比为1-2:1。
需要说明的是，上述多孔氧化石墨烯是石墨烯的一种衍生物，具有很多含氧官能团，如羰基、羧基、羟基等，使其可以与多种丝素蛋白肽链进行多重供价反应，同时也存在离子键和氢键等非共价作用，可以提供更好的多孔网络结构。
步骤S2、将上述再生丝素蛋白溶液和上述再添加溶液混合得到预混溶液。
在一些实施例中，这里不对混合方式做限定。
步骤S3、向上述预混溶液中加入交联剂进行交联，得到混合溶液。
在一些实施例中，上述步骤S3包括：向上述预混溶液中加入辣根过氧化酶和过氧化氢进行酶催化交联，得到混合溶液，这里，采用酶催化交联法进行交联，这里酶催化交联法采用过氧化酶和过氧化氢，且上述辣根过氧化酶和过氧化氢的质量比为1:1。
步骤S4、基于上述混合溶液得到多孔材料。
在一些实施例中，将上述混合溶液进行冷冻干燥，得到多孔材料，其中，上述冷冻干燥的温度为-20℃~-60℃，干燥时间为10-15h。
下面详细描述本公开的基于酶催化交联的多孔材料，上述多孔材料为多孔支架凝胶材料，且孔隙率大于90%。
在一些实施例中，上述多孔材料包括石墨烯、氧化石墨烯、多孔氧化石墨烯中的至少一种，这里，石墨烯、氧化石墨烯、多孔氧化石墨烯用于对上述多孔材料进行改性。作为示例，可以是石墨烯、可以是氧化石墨烯、可以是多孔氧化石墨烯、可以是石墨烯和多孔氧化石墨烯的混合物、可以是石墨烯和氧化石墨烯的混合物。
在一些实施例中，上述凝胶材料是采用酶催化交联法制备的。
下面通过具体实施例详细说明本公开的改性丝素蛋白凝胶材料的制备方法。
实施例1
使用电子天平精准称取生丝，将上述生丝放入质量百分数为0.5%的碳酸钠水溶液中，在100℃下加热煮沸30min，重复煮沸三次，每次煮沸后使用去离子水漂洗去除生丝中的丝胶，并将脱胶后的蚕丝置于烘箱中进行烘干，得到丝素纤维。将上述丝素纤维溶解于摩尔浓度为9.0mol/L的溴化锂水溶液中，然后进行过滤，去除杂质和LiBr后得到丝素蛋白水溶液。将冷却后的丝素蛋白溶液倒入透析袋（溶液占透析袋体积的1/3）中，在6℃的温度下放入去离子水中透析3天，得到丝素蛋白水溶液进一步浓缩至丝素蛋白质量分数为35%的溶液离心后放于冰箱内备用。
将氧化石墨烯粉末加入去离子水中，经超声后得到氧化石墨烯溶液，用1mol/L的NaOH溶液调定氧化石墨烯溶液的PH=10得到浓度为5mg/mL的氧化石墨烯溶液。
将上述丝素蛋白溶液和上述氧化石墨烯溶液进行混合得到预混溶液，上述氧化石墨烯溶液的添加量为再生丝素蛋白溶液的0.1wt%。
向预混溶液中加入质量比为1：1的辣根过氧化酶和过氧化氢进行交联，并进行真空脱泡得到混合溶液。
将混合溶液进行冷冻干燥，冷冻干燥的温度为-20℃，干燥时间为10h得到改性丝素蛋白凝胶材料，其形态为多孔支架，且孔隙率为93.2%。
实施例2
使用电子天平精准称取生丝，将上述生丝放入质量百分数为0.5%的碳酸钠水溶液中，在100℃下加热煮沸30min，重复煮沸三次，每次煮沸后使用去离子水漂洗去除生丝中的丝胶，并将脱胶后的蚕丝置于烘箱中进行烘干，得到丝素纤维。将上述丝素纤维溶解于摩尔浓度为9.0mol/L的溴化锂水溶液中，然后进行过滤，去除杂质和LiBr后得到丝素蛋白水溶液。将冷却后的丝素蛋白溶液倒入透析袋（溶液占透析袋体积的1/3）中，在6℃的温度下放入去离子水中透析3天，得到丝素蛋白水溶液进一步浓缩至丝素蛋白质量分数为30 %的溶液离心后放于冰箱内备用。
将氧化石墨烯粉末加入去离子水中，经超声后得到氧化石墨烯溶液，用1mol/L的NaOH溶液调定氧化石墨烯溶液的PH=10得到浓度为3 mg/mL的氧化石墨烯溶液。
将上述丝素蛋白溶液和上述氧化石墨烯溶液进行混合得到预混溶液，上述氧化石墨烯溶液的添加量为再生丝素蛋白溶液的0.05wt%。
向预混溶液中加入质量比为1：1的辣根过氧化酶和过氧化氢进行交联，并进行真空脱泡得到混合溶液。
将混合溶液进行冷冻干燥，冷冻干燥的温度为-20℃，干燥时间为10h得到改性丝素蛋白凝胶材料，其形态为多孔支架，且孔隙率为94.8%。
实施例3
使用电子天平精准称取生丝，将上述生丝放入质量百分数为1%的碳酸钠水溶液中，在100℃下加热煮沸30min，重复煮沸三次，每次煮沸后使用去离子水漂洗去除生丝中的丝胶，并将脱胶后的蚕丝置于烘箱中进行烘干，得到丝素纤维。将上述丝素纤维溶解于摩尔浓度为9.0mol/L的溴化锂水溶液中，然后进行过滤，去除杂质和LiBr后得到丝素蛋白水溶液。将冷却后的丝素蛋白溶液倒入透析袋（溶液占透析袋体积的2/3）中，在12℃的温度下放入去离子水中透析5天，得到丝素蛋白水溶液进一步浓缩至丝素蛋白质量分数为35 %的溶液离心后放于冰箱内备用。
将浓度为0.1g/L的多孔氧化石墨烯溶液以多孔氧化石墨烯与上述丝素蛋白为1:1的质量比与上述丝素蛋白溶液混合，得到预混溶液。
向预混溶液中加入质量比为1：1的辣根过氧化酶和过氧化氢进行交联，并进行真空脱泡得到混合溶液。
将混合溶液进行冷冻干燥，冷冻干燥的温度为-60℃，干燥时间为15h得到改性丝素蛋白凝胶材料，其形态为多孔支架，且孔隙率为95.9%。
实施例4
使用电子天平精准称取生丝，将上述生丝放入质量百分数为1%的碳酸钠水溶液中，在100℃下加热煮沸30min，重复煮沸三次，每次煮沸后使用去离子水漂洗去除生丝中的丝胶，并将脱胶后的蚕丝置于烘箱中进行烘干，得到丝素纤维。将上述丝素纤维溶解于摩尔浓度为9.0mol/L的溴化锂水溶液中，然后进行过滤，去除杂质和LiBr后得到丝素蛋白水溶液。将冷却后的丝素蛋白溶液倒入透析袋（溶液占透析袋体积的2/3）中，在12℃的温度下放入去离子水中透析5天，得到丝素蛋白水溶液进一步浓缩至丝素蛋白质量分数为35 %的溶液离心后放于冰箱内备用。
将浓度为0.3g/L的多孔氧化石墨烯溶液以多孔氧化石墨烯与上述丝素蛋白为2:1的质量比与上述丝素蛋白溶液混合，得到预混溶液。
向预混溶液中加入质量比为1：1的辣根过氧化酶和过氧化氢进行交联，并进行真空脱泡得到混合溶液。
将混合溶液进行冷冻干燥，冷冻干燥的温度为-60℃，干燥时间为15h得到改性丝素蛋白凝胶材料，其形态为多孔支架，且孔隙率为98.7%。
以上描述仅为本公开的一些较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的（但不限于）具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种基于酶催化交联的多孔材料的制备方法，其特征在于，包括：
步骤S1、分别制备再生丝素蛋白溶液和再添加溶液；
步骤S2、将所述再生丝素蛋白溶液和所述再添加溶液混合得到预混溶液；
步骤S3、向所述预混溶液中加入交联剂进行交联，得到混合溶液；
步骤S4、基于所述混合溶液得到多孔材料；
其中，所述再添加溶液包括石墨烯溶液、氧化石墨烯溶液、多孔氧化石墨烯溶液中的至少一种。
2.如权利要求1所述的基于酶催化交联的多孔材料的制备方法，其特征在于，所述再添加溶液为多孔氧化石墨烯溶液。
3.如权利要求1所述的基于酶催化交联的多孔材料的制备方法，其特征在于，所述再生丝素蛋白溶液中再生丝素蛋白的质量百分数为30%~35%。
4.如权利要求1所述的基于酶催化交联的多孔材料的制备方法，其特征在于，所述再生丝素蛋白溶液是通过以下步骤制备的：
将生丝进行脱胶和烘干，得到丝素纤维；
将所述丝素纤维溶解于溴化锂溶液中得到丝素蛋白水溶液；
将所述丝素蛋白水溶液进行透析生成再生丝素蛋白溶液。
5.如权利要求1所述的基于酶催化交联的多孔材料的制备方法，其特征在于，当所述再添加溶液为氧化石墨烯溶液时，所述氧化石墨烯溶液的浓度为3-5mg/mL，所述氧化石墨烯的添加量为再生丝素蛋白溶液的0.05wt%-0.1wt%。
6.如权利要求2所述的基于酶催化交联的多孔材料的制备方法，其特征在于，当所述再添加溶液为多孔氧化石墨烯溶液时，所述多孔氧化石墨烯溶液的浓度为0.1-0.3g/L，所述多孔氧化石墨烯与所述丝素蛋白的质量比为1-2:1。
7.如权利要求1所述的基于酶催化交联的多孔材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
向所述预混溶液中加入辣根过氧化酶和过氧化氢进行酶催化交联，得到混合溶液。
8.如权利要求7所述的基于酶催化交联的多孔材料的制备方法，其特征在于，所述辣根过氧化酶和所述过氧化氢的质量比为1:1。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述方法制备的基于酶催化交联的多孔材料，其特征在于，所述多孔材料为多孔支架凝胶材料。
10.如权利要求9所述的基于酶催化交联的多孔材料，其特征在于，所述多孔材料包括石墨烯、氧化石墨烯、多孔氧化石墨烯中的至少一种。
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