CN117659442A - 一种丝素蛋白凝胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种丝素蛋白凝胶的制备方法，包括以下步骤：S1.将蚕丝进行脱胶处理，得到丝素蛋白纤维；S2.将丝素蛋白纤维溶解在中性盐溶液中，得到丝素蛋白/中性盐溶液；S3.将步骤S2中制备的丝素蛋白/中性盐溶液与有机溶剂混合，得到丝素蛋白/中性盐溶液/有机溶剂复合溶液；S4.将步骤S3中制备的丝素蛋白/中性盐溶液/有机溶剂复合溶液静置后得到复合凝胶；S5.对步骤S4中制备的复合凝胶进行浸渍、水洗和/或电渗析，得到丝素蛋白凝胶。本发明通过调节分子量、溶液浓度、有机溶剂种类和浓度，可以调控丝素蛋白凝胶的性状、强度和降解性能，以满足不同应用需求，且方法简单、过程稳定可控、流程短、效率高、损耗小，有利于丝蛋白高效快速制备。
Description
技术领域
本发明涉及有机高分子材料领域，具体涉及一种丝素蛋白凝胶的制备方法。
背景技术
蚕丝蛋白是来源于自然的天然高分子生物材料，具有自组装能力，由于其优异的力学性质、良好的生物相容性、可控的生物降解性、易加工性等特点而受到广泛研究，目前已被加工成微球、多孔膜、再生长丝、纳米纤维、水凝胶等多种形式用于组织修复、药物控释等领域。由于水凝胶特有的性质，因此在药物控释、细胞装载、组织修复等再生医学领域具有广阔的应用前景。将具有良好生物相容性的天然高分子——蚕丝蛋白（SF）制备成水凝胶的研究受到国内外广泛关注。
蛋白质的凝胶过程主要涉及氢键、疏水相互作用和静电相互作用，多孔网状结构的形成是蛋白质自身结构转变、蛋白-溶剂相互作用的结果。蚕丝蛋白大分子具有两亲性，即具有疏水片段和亲水片段，但总体表现为疏水性大分子，在溶液状态下，由于水合作用，分子链上的大部分疏水片段被有序的水分子包围。SF溶液在自然状态下会自组装成胶束并形成凝胶，该过程受到溶液浓度、pH值、温度、离子浓度、机械力等因素的影响，在凝胶过程中形成的β-折叠构象使得SF水凝胶不可逆、在生理条件下形态结构稳定。与其他生物可降解高分子水凝胶体系相比（如多糖及其衍生物），蚕丝蛋白水凝胶的形成过程较为缓慢，室温或37℃条件下，浓度从0.6%到15%的纯SF溶液需要数天到数周的时间才能完成凝胶过程。在SF溶液中加入聚氧化乙烯（PEO）或泊咯沙姆可以促进凝胶速度，原因是两种成分的吸水性较强，造成SF脱水。通过超声波或涡流等物理手段处理也可以将SF溶液的凝胶时间控制在几分钟到几小时之内，并且该水凝胶具有可注射性，因此在临床应用时对组织损伤小。
除了以水为溶剂的凝胶过程，有报道将丝素蛋白冻干粉溶解在有机溶剂六氟异丙醇中，然后加水后孵育一段时间也能得到力学性能优异的水凝胶，其断裂应力可达0.7±0.04 MPa，拉伸模量6.5±0.2 MPa，断裂应变140 %。也有研究将脱胶蚕丝直接溶解在中性盐/甲酸中，然后浸入水中，直接制备水凝胶，极大地简化了丝素蛋白水凝胶的制备流程。
综上，目前制备丝素蛋白水凝胶主要集中在水系和有机溶剂体系（六氟异丙醇和甲酸）。以水为体系的制备过程可以通过物理或化学方法加速凝胶过程、调节凝胶性能，但主要问题是制备工艺过程长、耗时长、丝蛋白损失多。而以有机溶剂的制备过程不仅涉及有机溶剂毒性，而且制备过程依然很长（六氟异丙醇体系），限制丝素蛋白水凝胶的应用。
发明内容
要解决的技术问题：本发明的目的在于提供一种丝素蛋白凝胶的制备方法，用于解决现有技术中丝素蛋白水凝胶制备方法流程长、效率低、损耗大的问题。
技术方案：一种丝素蛋白凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S1. 丝素蛋白纤维的制备：将蚕丝进行脱胶处理，然后进行洗涤和干燥，得到丝素蛋白纤维；
S2. 丝素蛋白溶液的制备：将丝素蛋白纤维溶解在中性盐溶液中，得到丝素蛋白/中性盐溶液；
S3. 丝素蛋白复合溶液的制备：将步骤S2中制备的丝素蛋白/中性盐溶液与有机溶剂混合，得到丝素蛋白/中性盐溶液/有机溶剂复合溶液；
S4. 丝素复合凝胶的制备：将步骤S3中制备的丝素蛋白/中性盐溶液/有机溶剂复合溶液静置后得到复合凝胶；
S5. 丝素蛋白凝胶的制备：对步骤S4中制备的复合凝胶进行浸渍、水洗和/或电渗析，得到丝素蛋白凝胶。
优选的，所述步骤S1中蚕丝为桑蚕丝、柞蚕丝、天蚕丝、蓖麻蚕丝中的一种或两种及两种以上的组合物，脱胶的溶剂为水、碳酸钠、碳酸氢钠、酶中的任意一种或两种及两种以上的组合物。
优选的，所述步骤S1中的干燥方式为自然干燥、加热干燥、真空干燥、冷冻干燥中的任意一种。
优选的，所述步骤S2中性盐为溴化锂、氯化钙、溴化钙、碘化钙、氯化锌、溴化锌、碘化锌、氯化镁、溴化镁、碘化镁中的任意一种或两种及两种以上的组合物。
优选的，所述步骤S2中溶解盐的溶剂为水、甲醇、乙醇中的任意一种或两种及两种以上的组合物。
优选的，所述步骤S2中丝素蛋白的浓度为10～50 w/v %。
优选的，所述步骤S3中有机溶剂为乙醇、甲醇、乙二醇、丙二醇、聚乙二醇、丙酮中的一种或两种及两种以上的组合物。
优选的，所述步骤S3中有机溶剂浓度为10～99wt %。
优选的，所述步骤S3中丝素蛋白/中性盐溶液与有机溶剂的混合比为2：1～1：10（v/v）。
上述制备方法制备的丝素蛋白水凝胶在化妆品、生物医药领域的应用，丝素蛋白水凝胶中丝素蛋白含量为0.5～30wt %，丝素蛋白凝胶为可注射凝胶或凝胶固体，丝素蛋白凝胶可进一步干燥与机械加工用于可植入材料。
有益效果：本发明制备方法具有以下优点：
1、本发明制备水凝胶直接使含盐丝素蛋白溶液凝胶，充分利用该溶液的稳定性，使得凝胶过程更加稳定、可控，避免现有常规透析过程中经常出现的蛋白质变性、蛋白质生菌的困境；
2、本发明采用含盐丝素蛋白溶液十分稳定，不仅可以进行超高分子量丝素蛋白的加工，而且可以均匀复合其他材料，比如石墨烯、壳聚糖、羟基磷灰石、纳米晶须等，提升丝素蛋白应用性能；
3、本发明通过与现有丝素蛋白提纯后再加工不同的含盐丝素蛋白溶液直接凝胶化加工，极大地缩短丝素蛋白加工工艺、显著减少透析过程中丝素蛋白的流失，提高了生产效率；
4、经过纯化的丝素蛋白凝胶具有良好的人体亲和性、无免疫排斥反应，是一种理想的化妆品用和生物医疗领域用的生物材料。
附图说明
图1为本发明制备方法的工艺流程图；
图2为本发明实施例2形成的水凝胶；
图3为本发明实施例3形成的水凝胶。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述，以下实施例是对本发明的解释而本发明不局限于以下实施例：
实施例1
第1步，丝素蛋白溶液的制备：
a)将桑蚕丝剪碎，放入碳酸钠溶液中沸煮一定时间，进行脱胶处理，形成蚕丝；
本步骤中，在保护蚕丝蛋白固有结构不被破坏的前提下，通过选择脱胶试剂、调节脱胶过程参数可以使得脱胶更为彻底。
作为示例，碳酸钠溶液的浓度为0.5 g/L，蚕茧质量与脱胶溶液的体积比为20：1g/L，沸煮时间为0.5h，加热方式为电磁炉煮沸。
b)将脱胶后的蚕丝用离子水反复洗涤，烘干得到纯丝素蛋白纤维，拉松备用；
作为示例，将脱胶后的蚕丝用去离子水洗涤，重复3～5次，置于60℃烘箱烘干，拉松备用，整个煮沸-洗涤过程重复3次。
c)将烘干得到的纯丝素蛋白纤维溶解在溴化锂溶液中，保温一定时间，直至溶液中肉眼看不到细绒，得到含盐丝素蛋白溶液；
作为示例，溴化锂溶液的浓度为9.3moL/L，纯丝素蛋白纤维质量与溴化锂溶液的体积比为1:4 g/ml，保温温度为60℃，保温时间为4h，获得浓度为25w/v %的丝素蛋白含盐溶液；
第2步，通过丝素蛋白溶液与有机溶剂混合，静置得到丝素蛋白/中性盐/有机溶剂复合凝胶：
作为示例，将浓度为80wt %乙醇溶液添加到丝素蛋白含盐溶液中，使其均匀缓慢混合，丝素蛋白含盐溶液与乙醇溶液的体积比为1：3，静置48h，得到复合凝胶；
第3步，将复合凝胶浸泡在去离子水中，去除乙醇、盐，获得纯丝素蛋白水凝胶：
作为示例，将得到的丝素蛋白水凝胶用去离子水充分浸泡，浸泡3天，除去乙醇、盐成分，得到纯丝素蛋白水凝胶。
图2是新混合的丝素蛋白/中性盐/有机溶剂混合溶液及静置48h后得到的复合凝胶。
实施例2
本发明提供一种丝素蛋白凝胶的制备方法，具体制备步骤如下：
第1步，丝素蛋白溶液的制备：
a)将桑蚕丝剪碎，放入碳酸钠溶液中沸煮一定时间，进行脱胶处理，形成蚕丝；
本步骤中，在保护蚕丝蛋白固有结构不被破坏的前提下，通过选择脱胶试剂、调节脱胶过程参数可以使得脱胶更为彻底。
作为示例，碳酸钠溶液的浓度为0.5g/L，蚕丝质量与脱胶溶液的体积比为20：1g/L，沸煮时间为0.5h，加热方式为电磁炉煮沸。
b) 将脱胶后的蚕丝用去离子水反复洗涤搅拌，烘干得到纯丝素蛋白纤维，拉松备用；
作为示例，将脱胶后的蚕丝用去离子水洗涤，重复3～5次，冷冻干燥，拉松备用，整个煮沸-洗涤过程重复3次。
c) 将干燥后得到的纯丝素蛋白纤维溶解在溴化锂溶液中，保温一定时间，直至溶液中肉眼看不到细绒，得到含盐丝素蛋白溶液；
作为示例，溴化锂溶液的溶度为9.3moL/L，保温温度为60℃，保温时间为3h，获得浓度为35w/v %的丝素蛋白含盐溶液，通过添加去离子水，将含盐丝素蛋白溶液的浓度稀释至12.5 w/v %；
第2步，通过混合有机溶剂将所述丝素蛋白含盐溶液转变为丝素蛋白凝胶：
作为示例，将浓度为60wt %甲醇溶液添加到浓度为12.5 w/v %的丝素蛋白含盐溶液中，使其均匀缓慢混合，丝素蛋白含盐溶液与乙醇溶液的体积比为1：1，静置8h，得到丝素蛋白/中性盐/有机溶剂复合凝胶；
第3步，将复合凝胶浸泡在去离子水中，除去甲醇、盐成分，获得纯丝素蛋白水凝胶：
作为示例，将得到的丝素蛋白水凝胶用去离子水充分浸泡洗涤，除去甲醇、盐成分，得到纯丝素蛋白水凝胶。
图3是新混合的丝素蛋白/中性盐/有机溶剂混合溶液及静置8h后得到的复合凝胶。
实施例3
本发明提供一种丝素蛋白凝胶的制备方法，具体制备步骤如下：
第1步，丝素蛋白溶液的制备：
a)将柞蚕丝剪碎，放入碳酸钠溶液中沸煮一定时间，进行脱胶处理，形成脱胶蚕丝；
作为示例，碳酸钠溶液的浓度为5g/L，蚕丝质量与脱胶溶液的体积比为40：1 g/L，沸煮时间为0.5h，加热方式为电磁炉煮沸。
b) 将脱胶后的蚕丝用去离子水反复洗涤搅拌，冷冻干燥得到丝素蛋白纤维，然后拉松备用；
作为示例，将脱胶后的蚕丝用去离子水洗涤，重复3～5次，冷冻干燥，拉松备用，整个煮沸-洗涤过程重复3次。
c) 将干燥后得到的纯丝素蛋白纤维溶解在硫氰酸锂溶液中，保温一定时间，直至溶液中肉眼看不到细绒，得到含盐丝素蛋白溶液；
作为示例，硫氰酸锂溶液的溶度为16 moL/L，保温温度为50℃，保温时间为3h，获得浓度为20w/v %的丝素蛋白含盐溶液；
第2步，通过混合有机溶剂将所述丝素蛋白含盐溶液转变为丝素蛋白凝胶：
作为示例，将浓度为90wt %乙醇溶液添加到浓度为20 w/v %的丝素蛋白含盐溶液中，使其均匀缓慢混合，丝素蛋白含盐溶液与乙醇溶液的体积比为1：2，静置10h，得到丝素蛋白/中性盐/有机溶剂复合凝胶；
第3步，将复合凝胶浸泡在去离子水中，除去甲醇、盐成分，获得纯丝素蛋白水凝胶：作为示例，将得到的丝素蛋白水凝胶用去离子水充分浸泡洗涤，除去乙醇、盐成分，得到纯丝素蛋白水凝胶。
实施例4
本发明提供一种丝素蛋白凝胶的制备方法，具体制备步骤如下：
第1步，丝素蛋白溶液的制备：
a)将桑蚕丝剪碎，放入碳酸钠溶液中沸煮一定时间，进行脱胶处理，形成蚕丝；
本步骤中，在保护蚕丝蛋白固有结构不被破坏的前提下，通过选择脱胶试剂浓度、脱胶溶剂比，可以使得脱胶更为彻底。
作为示例，碳酸钠溶液的浓度为0.1 g/L，蚕茧质量与脱胶溶液的体积比为10：1g/L，沸煮时间为0.5h，加热方式为电磁炉煮沸。
b)将脱胶后的蚕丝用离子水反复洗涤，冷冻干燥得到纯丝素蛋白纤维，拉松备用；
作为示例，将脱胶后的蚕丝用去离子水洗涤，重复3～5次，置于冷冻干燥机冻干，然后拉松备用，整个煮沸-洗涤过程重复3次。
c)将冻干得到的纯丝素蛋白纤维溶解在溴化锂溶液中，保温一定时间，直至溶液中肉眼看不到细绒，得到含盐丝素蛋白溶液；
作为示例，溴化锂溶液的浓度为9.3moL/L，保温温度为60℃，保温时间为4h，获得浓度为30 w/v %的丝素蛋白含盐溶液；
第2步，通过丝素蛋白溶液与有机溶剂混合，静置得到丝素蛋白/中性盐/有机溶剂复合凝胶：
作为示例，将浓度为80wt %甲醇溶液添加到丝素蛋白含盐溶液中，使其均匀缓慢混合，丝素蛋白含盐溶液与乙醇溶液的体积比为2：1，静置48h，得到复合凝胶；
第3步，将复合凝胶浸泡在去离子水中，去除甲醇、盐，获得纯丝素蛋白水凝胶，凝胶中丝素蛋白含量20 wt%。
作为示例，将得到的丝素蛋白水凝胶用去离子水充分浸泡，浸泡3天，除去乙醇、盐成分，得到纯丝素蛋白水凝胶。
为进一步拓展本发明制备丝素蛋白凝胶的用途，将丝素蛋白凝胶真空干燥，得到丝素蛋白固体，然后进行机械加工制备用于骨科固定的丝素蛋白骨钉、骨板。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种丝素蛋白凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 丝素蛋白纤维的制备：将蚕丝进行脱胶处理，然后进行洗涤和干燥，得到丝素蛋白纤维；
S2. 丝素蛋白溶液的制备：将丝素蛋白纤维溶解在中性盐溶液中，得到丝素蛋白/中性盐溶液；
S3. 丝素蛋白复合溶液的制备：将步骤S2中制备的丝素蛋白/中性盐溶液与有机溶剂混合，得到丝素蛋白/中性盐溶液/有机溶剂复合溶液；
S4. 丝素复合凝胶的制备：将步骤S3中制备的丝素蛋白/中性盐溶液/有机溶剂复合溶液静置后得到复合凝胶；
S5. 丝素蛋白凝胶的制备：对步骤S4中制备的复合凝胶进行浸渍、水洗和/或电渗析，得到丝素蛋白凝胶。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中蚕丝为桑蚕丝、柞蚕丝、天蚕丝、蓖麻蚕丝中的一种或两种及两种以上的组合物，脱胶的溶剂为水、碳酸钠、碳酸氢钠、酶中的任意一种或两种及两种以上的组合物。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中的干燥方式为自然干燥、加热干燥、真空干燥、冷冻干燥中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中性盐为溴化锂、氯化钙、溴化钙、碘化钙、氯化锌、溴化锌、碘化锌、氯化镁、溴化镁、碘化镁中的任意一种或两种及两种以上的组合物。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中溶解盐的溶剂为水、甲醇、乙醇中的任意一种或两种及两种以上的组合物。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中丝素蛋白的浓度为10～50 w/v %。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中有机溶剂为乙醇、甲醇、乙二醇、丙二醇、聚乙二醇、丙酮中的一种或两种及两种以上的组合物；有机溶剂浓度为10～99wt %。
8. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中丝素蛋白/中性盐溶液与有机溶剂的混合比为2：1～1：10 （v/v）。
9.根据权利要求1-8任一项所述制备方法制备的丝素蛋白凝胶。
10.根据权利要求9所述丝素蛋白凝胶在化妆品、生物医药领域的应用。
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