CN117904739A - 一种基于二级交联体系制备增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维的方法 - Google Patents
一种基于二级交联体系制备增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117904739A CN117904739A CN202311699146.5A CN202311699146A CN117904739A CN 117904739 A CN117904739 A CN 117904739A CN 202311699146 A CN202311699146 A CN 202311699146A CN 117904739 A CN117904739 A CN 117904739A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fiber
- protein
- agent
- concentration
- cross
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 143
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 title claims abstract description 43
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 title claims abstract description 33
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 title claims abstract description 33
- 239000003431 cross linking reagent Substances 0.000 claims abstract description 42
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims abstract description 40
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims abstract description 35
- 239000012745 toughening agent Substances 0.000 claims abstract description 30
- 238000009987 spinning Methods 0.000 claims abstract description 27
- 230000001112 coagulating effect Effects 0.000 claims abstract description 25
- 150000001413 amino acids Chemical class 0.000 claims abstract description 24
- 238000002166 wet spinning Methods 0.000 claims abstract description 18
- 239000012460 protein solution Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000012024 dehydrating agents Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims abstract description 3
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 53
- 235000018102 proteins Nutrition 0.000 claims description 28
- SXRSQZLOMIGNAQ-UHFFFAOYSA-N Glutaraldehyde Chemical compound O=CCCCC=O SXRSQZLOMIGNAQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 claims description 15
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 claims description 15
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000004472 Lysine Substances 0.000 claims description 12
- KDXKERNSBIXSRK-UHFFFAOYSA-N Lysine Natural products NCCCCC(N)C(O)=O KDXKERNSBIXSRK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 12
- XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N Ethyl acetate Chemical compound CCOC(C)=O XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 8
- ZNZYKNKBJPZETN-WELNAUFTSA-N Dialdehyde 11678 Chemical compound N1C2=CC=CC=C2C2=C1[C@H](C[C@H](/C(=C/O)C(=O)OC)[C@@H](C=C)C=O)NCC2 ZNZYKNKBJPZETN-WELNAUFTSA-N 0.000 claims description 6
- AZKVWQKMDGGDSV-BCMRRPTOSA-N Genipin Chemical compound COC(=O)C1=CO[C@@H](O)[C@@H]2C(CO)=CC[C@H]12 AZKVWQKMDGGDSV-BCMRRPTOSA-N 0.000 claims description 6
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- AZKVWQKMDGGDSV-UHFFFAOYSA-N genipin Natural products COC(=O)C1=COC(O)C2C(CO)=CCC12 AZKVWQKMDGGDSV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 108091003079 Bovine Serum Albumin Proteins 0.000 claims description 5
- DHMQDGOQFOQNFH-UHFFFAOYSA-N Glycine Chemical compound NCC(O)=O DHMQDGOQFOQNFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229940098773 bovine serum albumin Drugs 0.000 claims description 5
- MQIUGAXCHLFZKX-UHFFFAOYSA-N Di-n-octyl phthalate Natural products CCCCCCCCOC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCCCCCCCC MQIUGAXCHLFZKX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 108010022355 Fibroins Proteins 0.000 claims description 3
- 108010073771 Soybean Proteins Proteins 0.000 claims description 3
- 240000008042 Zea mays Species 0.000 claims description 3
- 235000005824 Zea mays ssp. parviglumis Nutrition 0.000 claims description 3
- 235000002017 Zea mays subsp mays Nutrition 0.000 claims description 3
- BJQHLKABXJIVAM-UHFFFAOYSA-N bis(2-ethylhexyl) phthalate Chemical compound CCCCC(CC)COC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCC(CC)CCCC BJQHLKABXJIVAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 235000005822 corn Nutrition 0.000 claims description 3
- WQXNXVUDBPYKBA-YFKPBYRVSA-N ectoine Chemical compound CC1=[NH+][C@H](C([O-])=O)CCN1 WQXNXVUDBPYKBA-YFKPBYRVSA-N 0.000 claims description 3
- 235000019710 soybean protein Nutrition 0.000 claims description 3
- 239000004471 Glycine Substances 0.000 claims description 2
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 claims description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 2
- 150000005846 sugar alcohols Polymers 0.000 claims description 2
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 2
- 239000012761 high-performance material Substances 0.000 abstract description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 18
- 235000001014 amino acid Nutrition 0.000 description 17
- 235000011187 glycerol Nutrition 0.000 description 17
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 7
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 7
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- 230000010261 cell growth Effects 0.000 description 5
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 4
- 229920002521 macromolecule Polymers 0.000 description 4
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 4
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 239000002262 Schiff base Substances 0.000 description 2
- 150000004753 Schiff bases Chemical class 0.000 description 2
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 2
- 238000007385 chemical modification Methods 0.000 description 2
- 231100000135 cytotoxicity Toxicity 0.000 description 2
- 230000003013 cytotoxicity Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 2
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 2
- 241001391944 Commicarpus scandens Species 0.000 description 1
- 239000004971 Cross linker Substances 0.000 description 1
- LEVWYRKDKASIDU-QWWZWVQMSA-N D-cystine Chemical compound OC(=O)[C@H](N)CSSC[C@@H](N)C(O)=O LEVWYRKDKASIDU-QWWZWVQMSA-N 0.000 description 1
- 102000016942 Elastin Human genes 0.000 description 1
- 108010014258 Elastin Proteins 0.000 description 1
- QNAYBMKLOCPYGJ-REOHCLBHSA-N L-alanine Chemical compound C[C@H](N)C(O)=O QNAYBMKLOCPYGJ-REOHCLBHSA-N 0.000 description 1
- KDXKERNSBIXSRK-YFKPBYRVSA-N L-lysine Chemical compound NCCCC[C@H](N)C(O)=O KDXKERNSBIXSRK-YFKPBYRVSA-N 0.000 description 1
- 108010087230 Sincalide Proteins 0.000 description 1
- 235000004279 alanine Nutrition 0.000 description 1
- 125000000539 amino acid group Chemical group 0.000 description 1
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000010609 cell counting kit-8 assay Methods 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 229960003067 cystine Drugs 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 229920002549 elastin Polymers 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 210000002950 fibroblast Anatomy 0.000 description 1
- 150000004676 glycans Chemical class 0.000 description 1
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229920006253 high performance fiber Polymers 0.000 description 1
- 235000015110 jellies Nutrition 0.000 description 1
- 239000008274 jelly Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 125000003588 lysine group Chemical group [H]N([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])(N([H])[H])C(*)=O 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000002074 melt spinning Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000002715 modification method Methods 0.000 description 1
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 229920001282 polysaccharide Polymers 0.000 description 1
- 239000005017 polysaccharide Substances 0.000 description 1
- 150000003141 primary amines Chemical class 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000008213 purified water Substances 0.000 description 1
- IZTQOLKUZKXIRV-YRVFCXMDSA-N sincalide Chemical compound C([C@@H](C(=O)N[C@@H](CCSC)C(=O)NCC(=O)N[C@@H](CC=1C2=CC=CC=C2NC=1)C(=O)N[C@@H](CCSC)C(=O)N[C@@H](CC(O)=O)C(=O)N[C@@H](CC=1C=CC=CC=1)C(N)=O)NC(=O)[C@@H](N)CC(O)=O)C1=CC=C(OS(O)(=O)=O)C=C1 IZTQOLKUZKXIRV-YRVFCXMDSA-N 0.000 description 1
- 229920001059 synthetic polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000004753 textile Substances 0.000 description 1
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 1
- 238000009941 weaving Methods 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
- D01F4/00—Monocomponent artificial filaments or the like of proteins; Manufacture thereof
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
- D01F1/00—General methods for the manufacture of artificial filaments or the like
- D01F1/02—Addition of substances to the spinning solution or to the melt
- D01F1/10—Other agents for modifying properties
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
- D01F11/00—Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture
- D01F11/02—Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture of cellulose, cellulose derivatives, or proteins
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Textile Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Artificial Filaments (AREA)
Abstract
本发明公开一种基于二级交联体系制备增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维的方法。该方法包括：S1：向蛋白溶液中逐滴加入交联剂，进行一级交联；S2：将蛋白纺丝液通过注射泵挤出，经过多通道微流控/湿法纺丝芯片挤入到凝固浴中，进而二级交联；所述凝固浴为含有脱水剂、交联剂和增韧剂的水溶液；S3：通过拉伸辊进行后拉伸，在后拉伸过程中将纤维通入含有增韧剂和氨基酸的洗涤浴进行增韧和后洗涤；最终收集得到一种增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维。本发明通过一级交联和二级交联以及结合增韧和后洗涤的方法制备出了一种韧性增强及高细胞相容性的生物蛋白纤维，为天然生物大分子纤维在生物医学领域中的应用提供高性能材料。
Description
技术领域
本发明涉及生物蛋白纤维制备技术领域，特别涉及一种基于二级交联体系制备增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维的方法。
背景技术
众所周知，由蛋白类、多糖类等天然生物大分子所制备的纤维具有优异的生物相容性、可再生性以及可降解性等特点。然而与合成高分子纤维相比，天然生物大分子纤维的机械性能在一些应用场所还不能满足特定的需求。目前，对天然生物大分子的改性研究成为了技术研发的方向之一，其中主要包括物理改性和化学改性。物理改性主要有共混、掺杂、热处理等方法，该方法对各个组分的相容性要求较高，若组分间不相容则共混复合材料的性能得不到很大的提升；化学改性是指通过化学反应，改变高分子链上的原子或原子团的种类及其排列方式的一类改性方法，主要包括交联、接枝、嵌段、扩链等方法，其中交联改性在天然生物大分子的改性中应用的较为广泛。交联可以将线型或支链的高分子反应形成网状结构，从而增强了材料的稳定性和机械性能。
湿法纺丝是一种通过溶液纺丝制备纤维的方法，湿法纺丝的基本工序包括纺丝液的配制、纺丝液从喷丝板或注射针头处挤出形成纤维细流，纤维细流在凝固浴中发生凝固或化学反应形成初生纤维，初生纤维经过后拉伸形成具有一定力学性能的纤维，可以应用于诸如天然生物大分子等不能熔融纺丝的材料中。湿法纺丝技术在一定程度上扩大了天然生物大分子纤维的加工及应用范围。然而，目前的湿法纺丝技术仍然存在蛋白纤维强度不够高、需要使用高剂量的有毒交联剂的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于二级交联体系制备增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维的方法，从而解决现有技术中存在的生物蛋白纤维强度和韧性不够高、需要使用高剂量的有毒交联剂且细胞相容性不够理想的问题。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
根据本发明的第一方面，提供一种基于二级交联体系制备增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维的方法，包括以下步骤：S1：向蛋白溶液中逐滴加入交联剂，进行一级交联，形成具有一定交联网络的蛋白纺丝液；其中，所述蛋白为牛血清白蛋白、类弹性蛋白、丝素蛋白、大豆蛋白、玉米蛋白中的一种或多种；所述蛋白溶液的浓度为3～600mg/mL；所述一级交联的交联剂包括：戊二醛、PEG二醛、京尼平；所述交联剂与蛋白溶液的体积比为(0.05～1)∶100；所述一级交联的交联剂溶液中交联剂组分浓度为0.5％～30％；S2：将步骤S1制得的蛋白纺丝液通过注射泵挤出，经过多通道微流控/湿法纺丝芯片挤入到凝固浴中，进而二级交联；其中，所述凝固浴为含有脱水剂、交联剂和增韧剂的水溶液；所述脱水剂为甲醇、乙醇、多元醇当中的一种或多种；所述二级交联的交联剂包括：戊二醛、PEG二醛、京尼平；所述凝固浴中交联剂组分浓度为0.5％～10％，增韧剂浓度为0～10％；S3：纤维在凝固浴中二级交联后，通过拉伸辊进行后拉伸，在后拉伸过程中将纤维通入含有增韧剂和氨基酸的洗涤浴进行增韧和后洗涤；最终在收集辊上收卷获得具有一定应力和应变的增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维；所述洗涤浴中的增韧剂浓度为0.5％～50％，氨基酸浓度为0.1％～10％；其中，步骤S2和步骤S3中，所述增韧剂为甘油、乙酸乙酯、依克多因、邻苯二甲酸二辛酯中的一种或多种；所述氨基酸为22种氨基酸中的一种或多种。
优选地，步骤S2中，所述凝固浴中的增韧剂浓度为0～10％；更优选为4％～10％。
优选地，步骤S3中，所述洗涤浴中增韧剂的浓度为0.5％～50％；更优选为1％～15％；最优选为10％。
优选地，步骤S3中，所述洗涤浴中氨基酸的浓度为0.1％～10％；更优选为0.5％～5％；最优选为2％。根据本发明的研究发现，洗涤浴中氨基酸浓度太低(低于0.1％)时，纤维中的交联剂无法彻底反应和洗涤干净，引起一定的细胞毒性；浓度太高(高于10％)时，纤维纺丝稳定性和强度会严重下降。
优选地，蛋白溶液的浓度为3～600mg/mL，更优选为300～500mg/mL；最优选为400mg/mL。浓度太低时纤维无法成型，浓度太高时，纺丝液太粘稠，也不能正常纺丝。
所述一级交联的交联剂优选为戊二醛、PEG二醛、京尼平等；更优选为戊二醛。
优选地，步骤S1中，所述一级交联的交联剂溶液中交联剂组分浓度为0.5％～30％；更优选为5％～20％；最优选为10％；所述交联剂与蛋白溶液的体积比为(0.05～1)∶100，更优选为(0.1～0.4)∶100，最优选为0.2∶100。根据本发明的研究发现，一级交联的交联浓度或一级交联的交联剂溶液中交联剂组分浓度如果太高，与蛋白纺丝液会发生过多的反应，导致胶状物的出现，无法正常纺丝。
本发明所述的一级交联是在蛋白溶液中逐滴加入交联剂，形成具有一定交联网络的蛋白纺丝液。优选地，步骤S1中，所述交联剂逐滴加入的体积为5～200μL。通过控制逐滴加入的交联剂溶液的体积，避免发生的化学反应速率过快，导致溶液成胶状。
优选地，步骤S2中，所述多通道微流控/湿法纺丝芯片为中心通道与不锈钢微管或者玻璃锥形微管连接管相连，在芯片内部沿同一方向平均分布有多个分支通道的结构单元，所述多个分支通道的数量为2～100通道；更优选为2～50通道；最优选为10～20通道。不同的通道数量产生的纤维根数就不一样。
优选地，步骤S2中，所述注射泵挤出的流速为0.5～500μL/min；更优选为0.5～400μL/min；最优选为50～300μL/min。应当理解的是，流速决定了纤维能否正常成型。太低的流速，纺丝液无法挤出或者纤维太细，无法后拉伸；太高的流速，纺丝液会直接接触到凝固浴底部，不能很好的收集。
所述二级交联的交联剂优选为戊二醛、PEG二醛、京尼平等；更优选为戊二醛。
所述增韧剂优选为甘油、乙酸乙酯、依克多因、邻苯二甲酸二辛酯当中的一种或多种；更优选为甘油。
优选地，步骤S2中，所述凝固浴中的脱水剂浓度为50％～99.5％，凝固浴中交联剂组分浓度为0.5％～10％，增韧剂浓度为0～10％。不同浓度的交联剂会产生不同强度的纤维，浓度太低时，纤维强度下降，太高时，纤维太脆，容易拉断。
所述氨基酸优选为赖氨酸、甘氨酸、丙氨酸、胱氨酸等22种氨基酸中的一种或多种；更优选为赖氨酸、甘氨酸；最优选为赖氨酸。其原因在于，BSA中含有含量较高的59个赖氨酸残基，其中30-35个含有可以与交联试剂发生反应的伯胺。
本发明中的所述拉伸辊优选为一组可以调节转速的直径相同的不锈钢金属辊。其中，所述不锈钢金属辊的直径优选为3～20cm；更优选为5～10cm；最优选为7.5cm。
优选地，步骤S3中，所述拉伸辊的转速为1～100rpm；更优选为3～40rpm。所述收集辊与拉伸辊的直径相同，且可以将纸管固定在中心轴上，与收集辊同步旋转。不同的拉伸辊转速会导致不同的拉伸倍数，拉伸倍数不同则纤维机械强度不同。拉伸倍数越大，应力越大，应变越小。
根据本发明的第二方面，提供一种采用上述制备方法制备得到的增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维。
本发明所制备的纤维通过编织工艺，可以织造成各种纺织品，应用于手术缝合线、生物补片、心脏支架等生物材料中。
根据本发明，提供了一种基于二级交联体系制备增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维的方法，首先，采用交联剂对牛血清白蛋白、类弹性蛋白、丝素蛋白、大豆蛋白、玉米蛋白等蛋白材料进行低交联度的一级交联，然后，通过湿法纺丝技术，在凝固浴中添加交联剂使纤维在凝固浴中进行二级交联，最后，再通过拉伸辊进行后拉伸，在收集辊上收卷成具有一定应力和应变的增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维。
本发明的关键发明点主要在于，本发明通过一级交联和二级交联以及结合增韧和后洗涤的方法制备出了一种韧性增强及高细胞相容性的生物蛋白纤维，分别采用以下方法进行增韧和后洗涤：在凝固浴中添加增韧剂，同时在后拉伸过程中将纤维通入含有增韧剂的洗涤浴进行增韧；在后拉伸过程中将纤维通入含有氨基酸的洗涤浴进行后洗涤，用于将纤维上多余的交联剂反应并洗涤掉，从而提高纤维的细胞相容性。其作用原理为：蛋白纺丝液与凝固浴中的戊二醛交联剂发生席夫碱化学反应，在反应的同时，增韧剂可以扩散到纤维内部，使纤维内外均有增韧剂的分布；经过前面的一级交联和二级交联后，纤维强度已经得到初步增强，在后拉伸过程中使纤维通过一个增韧剂洗涤浴，可使纤维在后拉伸过程中进一步得到韧性增强，且不会导致纤维断裂。另一方面，由于纤维从凝固浴中会带出大量未反应完全的对细胞产生一定毒性的戊二醛交联剂，而这些多余的交联剂在含有氨基酸的洗涤浴中会与氨基酸发生席夫碱化学反应被进一步反应和清洗掉，从而降低了纤维的细胞毒性。通过控制氨基酸浓度，在纤维强度下降较小的情况下，纤维的细胞相容性可以得到很好的提升。然而，截止到目前为止，现有技术从未给出过浸泡氨基酸溶液可提高纤维的细胞相容性这样的技术启示。本发明的湿法纺丝工艺首先通过戊二醛与BSA氨基酸残基反应来得到具有一定强度的纤维，然后通过浸泡含有氨基酸的溶液从而有效的将凝固浴中与BSA反应多余的戊二醛反应清除，防止残留的戊二醛对细胞相容性产生影响。
综上所述，本发明通过在纺丝液中进行低交联度的一级交联，以及凝固浴中进行高交联度的二级交联，通过在凝固浴中加入无毒的增韧剂(比如，甘油等)和后拉伸过程中使纤维通过增韧剂溶液来增强纤维的韧性(应变)，同时通过拉伸过程中将纤维经过氨基酸洗涤浴进行后洗涤，反应并洗涤除去多余的交联剂，成功制备得到一种韧性和细胞相容性得到大幅提升的生物蛋白纤维。本发明可以很大程度上提高天然生物大分子纤维的机械性能和生物相容性，实现高强高韧生物大分子蛋白纤维的制备，为天然生物大分子纤维在生物医学领域中的应用提供高性能材料。
附图说明
图1为一种基于二级交联体系制备增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维装置的俯视示意图；
图2为本发明中纤维后拉伸示意图，同时在第三和第四拉伸辊之间设置有含有增韧剂和氨基酸的洗涤浴；
图3为实施例1所制备纤维的扫描电子显微镜图；
图4为实施例1所制备纤维的应力/应变曲线图；
图5为实施例2所制备纤维的应力/应变曲线图；
图6为实施例3所制备纤维的应力/应变曲线图；
图7为实施例4所制备纤维的应力/应变曲线图；
图8为实施例5所制备纤维的应力/应变曲线图；
图9为对比例1所制备纤维的应力/应变曲线图；
其中，附图标记的含义如下所示：
1-注射泵；2-注射器；3-连接管；4-塑座针头；5-多通道微流控/湿法纺丝芯片；6-凝固浴；7-第一拉伸辊；8-第六拉伸辊；9-初生纤维；10-导丝器；11-收集辊；12-洗涤浴。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
实施例1
1)一级交联纺丝液的制备
称取牛血清白蛋白粉末溶于pH＝6.5的纯化水中，震荡溶解后得到浓度为400mg/mL的蛋白溶液；
将蛋白溶液置于磁力搅拌器上，设定转速700rpm，随后将市售50％浓度的戊二醛稀释成10％，以与蛋白溶液体积比为0.2％(0.2∶100)的浓度，用移液器按照25μL体积逐滴加入到蛋白溶液中，对蛋白进行一级交联处理。最后，将一级交联后的蛋白溶液离心脱泡，得到纺丝液。
2)凝固浴的制备
在不锈钢水浴槽中按照体积比分别加入80％的乙醇、5％的戊二醛、4％的甘油和11％的水，充分搅拌后得到均一稳定的凝固浴溶液。
3)纤维的制备
按照图1所示，首先，将纺丝液装入到注射器2中，然后将注射器2安装到注射泵1上，设定注射流速为100μL/min。选用十通道微流控/湿法纺丝芯片5。在3～40rpm范围内逐步递增地设定拉伸辊转速，使总拉伸倍数为4倍(即第六拉伸辊8和第一拉伸辊7转速的比值)，其中收集辊11转速与第六拉伸辊8转速相等。启动注射泵1，纺丝液通过连接管3进入十通道微流控/湿法纺丝芯片5中，继而通过塑座针头4挤入到凝固浴6中。按照图2的后拉伸示意图，自凝固浴6出来后的初生纤维9在各拉伸辊之间被逐步拉伸，同时纤维在第三和第四拉伸辊之间通过含10％甘油和0.5％赖氨酸的洗涤浴12，最终在收集辊11上收集到长度为3000m以上的二级交联增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维。
4)纤维测定
测定纤维的应力、应变，分别为137.6MPa、41.9％，该纤维的扫描电镜图如图3所示，应力/应变曲线如图4所示。取适量纤维样品进行浸泡处理，24小时后将浸泡液滴加到L929成纤维细胞培养液中，24小时后添加CCK-8试剂在450nm波长下测定吸光度，以空白培养基做对照，分别测定吸光度后折算成相应的细胞相对增长率。每组样品测试3次，结果取平均值。经过实验测定纤维浸泡液的细胞相对增长率为：84.9％。应当理解的是，图4-图9中的三条曲线代表同一个样品测试3次。
实施例2
本实施例按照实施例1所述的方法制备一级交联纺丝液。同时，按照实施例1所述的方法和成分比例制备凝固浴。
纤维的制备：按照图1，将纺丝液装入到注射器2中，然后将注射器2安装到注射泵1上，设定注射流速为100μL/min。选用十通道微流控/湿法纺丝芯片5，在3～40rpm范围内逐步递增地设定拉伸辊转速，使总拉伸倍数为4倍(即第六拉伸辊8和第一拉伸辊7转速的比值)，其中收集辊11转速与第六拉伸辊8转速相等。按照图2的后拉伸示意图，自凝固浴6出来后的初生纤维9在各拉伸辊之间被逐步拉伸，同时纤维在第三和第四拉伸辊之间通过含10％甘油和1％赖氨酸的洗涤浴12，最终在收集辊11上收集到长度为3000m以上的二级交联增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维。
纤维测定：测定纤维的应力、应变，分别为123.4MPa、42.6％，该纤维的应力/应变曲线如图5所示。测定纤维浸泡液的细胞相对增长率为：90.8％。
实施例2与实施例1的区别在于增加了洗涤浴中赖氨酸的浓度，对比发现，制备所得纤维的应力显著性降低，而应变无显著性变化。与此同时，纤维的细胞相容性显著性提高。
实施例3
本实施例按照实施例1所述的方法制备一级交联纺丝液。在不锈钢水浴槽中按照体积比分别加入80％的乙醇、3％的戊二醛、4％的甘油和13％的水，充分搅拌后得到均一稳定的凝固浴溶液。
纤维的制备：按照图1，将纺丝液装入到注射器2中，然后将注射器2安装到注射泵1上，设定注射流速为100μL/min。选用十通道微流控/湿法纺丝芯片5，在3～40rpm范围内逐步递增地设定拉伸辊转速，使总拉伸倍数为4倍(即第六拉伸辊8和第一拉伸辊7转速的比值)，其中收集辊11转速与第六拉伸辊8转速相等。按照图2的后拉伸示意图，自凝固浴6出来后的初生纤维9在各拉伸辊之间被逐步拉伸，同时纤维在第三和第四拉伸辊之间通过含10％甘油和2％赖氨酸的洗涤浴12，最终在收集辊11上收集到长度为3000m以上的二级交联增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维。
纤维测定：测定纤维的应力、应变，分别为97.4MPa、44.0％，该纤维的应力/应变曲线如图6所示。测定纤维浸泡液的细胞相对增长率为：99.8％。
实施例3与实施例2的区别在于降低了戊二醛的用量，同时增加了洗涤浴中赖氨酸的浓度，对比发现，制备所得纤维的应力显著性降低，而应变无显著性变化。与此同时，纤维的细胞相容性得到进一步显著性的提高。
实施例4
本实施例按照实施例1所述的方法制备一级交联纺丝液。在不锈钢水浴槽中按照体积比分别加入80％的乙醇、3％的戊二醛、4％的甘油和13％的水，充分搅拌后得到均一稳定的凝固浴溶液。
纤维的制备：按照图1，将纺丝液装入到注射器2中，然后将注射器2安装到注射泵1上，设定注射流速为200μL/min。选用二十通道微流控/湿法纺丝芯片5，在3～40rpm范围内逐步递增地设定拉伸辊转速，使总拉伸倍数为5倍(即第六拉伸辊8和第一拉伸辊7转速的比值)，其中收集辊11转速与第六拉伸辊8转速相等。按照图2的后拉伸示意图，自凝固浴6出来后的初生纤维9在各拉伸辊之间被逐步拉伸，同时纤维在第三和第四拉伸辊之间通过含10％甘油和2％赖氨酸的洗涤浴12，最终在收集辊11上收集到长度为3000m以上的二级交联增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维。
纤维测定：测定纤维的应力、应变，分别为127.5MPa、34.5％，该纤维的应力/应变曲线如图7所示。测定纤维浸泡液的细胞相对增长率为：99.6％。
实施例4与实施例3的区别在于增加了芯片通道，同时注射流速和拉伸倍数也相应地增加，制备所得纤维的应力显著性上升，而应变显著性下降。与此同时，纤维的细胞相容性保持稳定，可以达到99.6％。
实施例5
本实施例按照实施例1所述的方法制备一级交联纺丝液。在不锈钢水浴槽中按照体积比分别加入80％的乙醇、3％的戊二醛、10％甘油和7％的水，充分搅拌后得到均一稳定的凝固浴溶液。
纤维的制备：按照图1，将纺丝液装入到注射器2中，然后将注射器2安装到注射泵1上，设定注射流速为200μL/min。选用二十通道微流控/湿法纺丝芯片，在3～40rpm范围内逐步递增地设定拉伸辊转速，使总拉伸倍数为5倍(即第六拉伸辊8和第一拉伸辊7转速的比值)，其中收集辊11转速与第六拉伸辊8转速相等。按照图2的后拉伸示意图，自凝固浴6出来后的初生纤维9在各拉伸辊之间被逐步拉伸，同时纤维在第三和第四拉伸辊之间通过含10％甘油和2％赖氨酸的洗涤浴12，最终在收集辊11上收集到长度为3000m以上的二级交联增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维。
纤维测定：测定纤维的应力、应变，分别为128.4MPa、46.4％，该纤维的应力/应变曲线如图8所示。测定纤维浸泡液的细胞相对增长率为：99.6％。
实施例5与实施例4的区别在于提高了凝固浴中甘油的浓度，所得纤维应力无显著性变化，而应变增加了11.9％。与此同时，纤维的细胞相容性保持稳定，依然可以达到99.6％。
对以上5个实施例测试数据进行对比可知，通过改变凝固浴中交联剂(戊二醛)或增韧剂(甘油)的浓度，同时在纤维后洗涤浴中添加增韧剂和氨基酸以及设定各种纺丝工艺参数，本发明能够调控所得纤维的机械性能和细胞相容性，实现工艺优化和高性能纤维长丝生产制备的目标。
对比例1
本实施例按照实施例1所述的方法制备一级交联纺丝液。同时按照实施例1所述的方法制备凝固浴。
本实施例按照实施例1所述的工艺参数制备纤维，区别在于纤维在第三和第四拉伸辊之间的洗涤浴中只含0.5％赖氨酸，无甘油。
纤维测定：测定纤维的应力、应变，分别为137.3MPa、25.1％。该纤维的应力/应变曲线如图9示。测定纤维浸泡液的细胞相对增长率为：84.4％。从实施例1和对比例1可以看出，实施例1相比对比例1使纤维经过了含有10％甘油的洗涤浴，纤维应变增加了16.8％，而应力和细胞相容性无显著性变化。由此可见，本发明通过在洗涤浴中添加增韧剂制备出了韧性增强的蛋白纤维。反之，洗涤浴中未添加增韧剂时则所得纤维韧性较低。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (10)
1.一种基于二级交联体系制备增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：向蛋白溶液中逐滴加入交联剂，进行一级交联，形成具有一定交联网络的蛋白纺丝液；其中，所述蛋白为牛血清白蛋白、类弹性蛋白、丝素蛋白、大豆蛋白、玉米蛋白中的一种或多种；所述蛋白溶液的浓度为3～600mg/mL；所述一级交联的交联剂包括：戊二醛、PEG二醛、京尼平；所述交联剂与蛋白溶液的体积比为(0.05～1)∶100；所述一级交联的交联剂溶液中交联剂组分浓度为0.5％～30％；
S2：将步骤S1制得的蛋白纺丝液通过注射泵挤出，经过多通道微流控/湿法纺丝芯片挤入到凝固浴中，进而二级交联；其中，所述凝固浴为含有脱水剂、交联剂和增韧剂的水溶液；所述脱水剂为甲醇、乙醇、多元醇中的一种或多种；所述二级交联的交联剂包括：戊二醛、PEG二醛、京尼平；所述凝固浴中交联剂组分浓度为0.5％～10％，增韧剂浓度为0～10％；
S3：纤维在凝固浴中二级交联后，通过拉伸辊进行后拉伸，在后拉伸过程中将纤维通入含有增韧剂和氨基酸的洗涤浴进行增韧和后洗涤；最终在收集辊上收卷获得具有一定应力和应变的增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维；所述洗涤浴中的增韧剂浓度为0.5％～50％，氨基酸浓度为0.1％～10％；
其中，步骤S2和步骤S3中，所述增韧剂为甘油、乙酸乙酯、依克多因、邻苯二甲酸二辛酯中的一种或多种；所述氨基酸为22种氨基酸中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述洗涤浴中的氨基酸浓度为0.5％～5％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述洗涤浴中的氨基酸为赖氨酸或甘氨酸。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述凝固浴中的增韧剂浓度为4～10％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述洗涤浴中的增韧剂浓度为1～15％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述一级交联的交联剂溶液中交联剂组分浓度为5％～20％。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述多通道微流控/湿法纺丝芯片为中心通道与不锈钢微管或者玻璃锥形微管连接管相连，在芯片内部沿同一方向平均分布有多个分支通道的结构单元，所述多个分支通道的数量为2～100通道。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述注射泵挤出的流速为0.5～500μL/min。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述凝固浴中的脱水剂浓度为50％～99.5％。
10.一种采用权利要求1～9中任意一项所述的制备方法制备得到的增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311699146.5A CN117904739A (zh) | 2023-12-12 | 2023-12-12 | 一种基于二级交联体系制备增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311699146.5A CN117904739A (zh) | 2023-12-12 | 2023-12-12 | 一种基于二级交联体系制备增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维的方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117904739A true CN117904739A (zh) | 2024-04-19 |
Family
ID=90682921
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311699146.5A Pending CN117904739A (zh) | 2023-12-12 | 2023-12-12 | 一种基于二级交联体系制备增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117904739A (zh) |
-
2023
- 2023-12-12 CN CN202311699146.5A patent/CN117904739A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2005515309A (ja) | ポリペプチド繊維およびそれらの製造方法 | |
| US7057023B2 (en) | Methods and apparatus for spinning spider silk protein | |
| US20050054830A1 (en) | Methods and apparatus for spinning spider silk protein | |
| CN108295310A (zh) | 一种导电型组织工程支架及其制备方法和应用 | |
| GB2608471A (en) | Method for preparing fully-degradable non-woven fabric by spun-bonding | |
| CN104927034B (zh) | 聚乙醇酸甲酯基可吸收手术缝合线的制备方法 | |
| CN110129996A (zh) | 一种壳聚糖-普鲁兰多糖静电纺丝复合纳米纤维膜的制备方法 | |
| CA2194225A1 (en) | Cellulose acetate fiber having noncircular section, assembly thereof, and process for preparing the same | |
| CN117904739A (zh) | 一种基于二级交联体系制备增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维的方法 | |
| CN117758384A (zh) | 一种基于二级交联体系制备增韧生物蛋白纤维的方法 | |
| CN115192764B (zh) | 一种基于酪蛋白可降解吸收手术缝合线的制备方法和应用 | |
| CN104611782B (zh) | 一种制备抗起球腈纶纺丝液的方法 | |
| CN114351287B (zh) | 基于微流纺复合载药纤维的制备方法 | |
| CN114395141B (zh) | 一种高强度丝蛋白纳米纤维水凝胶的制备方法 | |
| CN114318588A (zh) | 一种聚（4-羟基丁酸酯）/聚乳酸共混纤维及其制备方法 | |
| CN108978046B (zh) | Pet多孔纤维膜的制备方法 | |
| CN1243141C (zh) | 天然高分子聚合物改性纤维及长丝的生产方法 | |
| CN110055617A (zh) | 一种可生物降解聚酯短纤维及其制备方法 | |
| CN112941667B (zh) | 一种海藻酸酯纤维及其制备方法 | |
| CN116516507B (zh) | 一种丝胶接枝共聚丙烯腈纤维的制备方法 | |
| KR0162548B1 (ko) | 미세다공구조의 고흡수성 폴리에스테르 중공사의 제조방법 | |
| CN115341298B (zh) | 一种自卷曲酚醛长丝及其制备方法 | |
| CN114921864B (zh) | 一种湿度响应瓜尔胶纤维及其制备方法 | |
| CN115506046B (zh) | 一种改性大豆蛋白纳米纤维材料及其制备方法 | |
| CN117758385A (zh) | 一种适用于蛋白纤维成型的纺丝工艺 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |