一種蠶絲蛋白/纖維素衍生物共混水凝膠及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于天然高分子材料與生物醫(yī)用材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高強(qiáng)度天然生物大分子水凝膠及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高分子水凝膠是一種含水量高達(dá)90%的三維網(wǎng)絡(luò)，其中高分子在水中處于溶脹但是不溶解的狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，水凝膠分為兩種:化學(xué)交聯(lián)水凝膠和物理交聯(lián)水凝膠。普通化學(xué)交聯(lián)水凝膠的優(yōu)勢(shì)在于可以通過(guò)改變化學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)控制最終水凝膠的力學(xué)性能，缺點(diǎn)在于生物相容性較差以及需要引入化學(xué)交聯(lián)劑。物理交聯(lián)水凝膠的優(yōu)勢(shì)在于其往往是由天然高分子或者如PVA之類(lèi)經(jīng)過(guò)FDA認(rèn)證的合成高分子所形成的三維網(wǎng)絡(luò)，具有相對(duì)于化學(xué)凝膠來(lái)說(shuō)比較好的生物相容性，缺點(diǎn)在于很難通過(guò)改變化學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)控制最終水凝膠的力學(xué)性能，或者說(shuō)最終水凝膠的力學(xué)性能很難得以人為的控制。除此之外，物理交聯(lián)水凝膠的力學(xué)性能相比于化學(xué)水凝膠來(lái)說(shuō)要差很多。但是，傳統(tǒng)的化學(xué)水凝膠和物理水凝膠，無(wú)論是從拉伸壓縮模量還是延展性上來(lái)說(shuō)，都處在一個(gè)相對(duì)較低的水平上，與實(shí)際應(yīng)用的需求相比還差很遠(yuǎn)。因此，近年來(lái)如何提升水凝膠的力學(xué)性能一直都是研宄的熱點(diǎn)，制備雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠、納米復(fù)合水凝膠以及拓?fù)淠z是當(dāng)今提升水凝膠力學(xué)性能的三種常用方法，但是以上三種水凝膠的制備方法對(duì)天然生物大分子的適用性有限。
[0003]蠶絲是一種古老的天然蛋白質(zhì)材料。由于其與生俱來(lái)的優(yōu)良力學(xué)性能和生物相容性以及廣泛的來(lái)源，蠶絲以及以蠶絲蛋白為基礎(chǔ)的材料在生物醫(yī)用領(lǐng)域具有很廣泛的應(yīng)用前景。利用再生絲蛋白溶液制備水凝膠已被報(bào)道了很多次，但其力學(xué)性能均無(wú)法達(dá)到人工合成化學(xué)水凝膠的力學(xué)性能或者對(duì)力學(xué)性能要求較高的組織的要求，例如韌帶或軟骨等。水溶性纖維素衍生物如羥丙基甲基纖維素、甲基纖維素和羥丙基纖維素等均為天然多糖-纖維素的衍生物，其側(cè)鏈上的疏水基團(tuán)使其具有溫敏性，如羥丙基甲基纖維素水溶液或甲基纖維素水溶液經(jīng)過(guò)加熱可以由透明溶液變成凝膠，降回室溫后又回復(fù)到溶液狀態(tài)；而加熱羥丙基纖維素水溶液則導(dǎo)致沉淀出現(xiàn)，但降溫后仍成為溶液。同時(shí)，與蠶絲蛋白一樣，這三種纖維素衍生物具有很好的生物相容性。
[0004]本發(fā)明通過(guò)加熱桑蠶絲蛋白和纖維素衍生物的共混水溶液，得到了一類(lèi)模量高、韌性強(qiáng)且具有很好生物相容性的水凝膠，此類(lèi)水凝膠可以通過(guò)控制固含量來(lái)調(diào)控最終的力學(xué)性能，克服了傳統(tǒng)物理凝膠的一大缺點(diǎn)。除此之外，其制備方法相較于化學(xué)凝膠的制備更為簡(jiǎn)便溫和，綠色環(huán)保，同時(shí)也避免了化學(xué)交聯(lián)劑的使用，并且生物相容性得到了很好的保持。這種簡(jiǎn)單快速的制備方法也為其今后的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)提供了可行性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種同時(shí)具有良好生物相容性以及優(yōu)良力學(xué)性能的水凝膠及其制備方法。
[0006]本發(fā)明提供的水凝膠，為一種桑蠶絲蛋白與纖維素衍生物的共混水凝膠，以質(zhì)量濃度分別為4~20%的桑蠶絲蛋白水溶液與纖維素衍生物水溶液按一定的體積比混合制成，桑蠶絲蛋白占最終共混水凝膠中總體固狀物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30% ~ 90%;所述的纖維素衍生物為羥丙基甲基纖維素或甲基纖維素或羥丙基纖維素。
[0007]本發(fā)明提供的桑蠶絲蛋白/纖維素衍生物的共混水凝膠的制備方法，具體步驟為:
(O制備再生桑蠶絲蛋白水溶液，使其最終濃度為4%~20% ；
(2)攪拌下，把羥丙基甲基纖維素或甲基纖維素或羥丙基纖維素水溶液粉末溶解于去離子水中，使其最終濃度為4%~20% ；
(3)將步驟(I)與步驟(2)所得的兩種溶液混合均勻，水浴加熱。
[0008]步驟(3)中，桑蠶絲蛋白水溶液:纖維素衍生物水溶液的體積比例為3:7 ~ 9:1。
[0009]步驟(3)中，水浴加熱溫度為65°C至90°C。
[0010]步驟(3)中，水浴加熱時(shí)間為2小時(shí)至24小時(shí)。
[0011]本發(fā)明的水凝膠制備方法簡(jiǎn)單高效，綠色環(huán)保，制備過(guò)程中不涉及任何化學(xué)交聯(lián)劑或者生物交聯(lián)劑，在得到不亞于化學(xué)凝膠力學(xué)性能的同時(shí)，天然高分子的性質(zhì)在制備過(guò)程中得到保留。
[0012]本發(fā)明水凝膠的生物相容性以及生物可降解性遠(yuǎn)高于合成高分子水凝膠。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
(1)本發(fā)明的水凝膠的制備方法相比于化學(xué)凝膠的制備方法，更加簡(jiǎn)單高效，制備條件溫和，綠色環(huán)保，有利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)；
(2)本發(fā)明的水凝膠的原料來(lái)源相比于化學(xué)凝膠的原料來(lái)源更加廣泛，成本更加低廉;
(3)本發(fā)明的水凝膠在具有優(yōu)異力學(xué)性能的同時(shí)，生物相容性也很好。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明方法流程圖示。
[0015]圖2為本發(fā)明高強(qiáng)度水凝膠力學(xué)性能展示，箭頭所指為本發(fā)明制備的水凝膠，其體積約為I cm3，高度約為10 mm，直徑約為9 mm，水凝膠固含量為10%。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。
[0017]實(shí)施例1
分別制備濃度為6%、8%和10%的再生蠶絲蛋白與羥丙基甲基纖維素水溶液，將相同濃度的蠶絲蛋白水溶液與羥丙基甲基纖維素水溶液以體積比9:1混合，保證最終混合溶液濃度(即為以下的固含量值)為6%、8%或10%，65°C水浴加熱2h形成水凝膠。力學(xué)性能測(cè)試得到固含量6%水凝膠的拉伸模量為0.37 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率為120 %，壓縮模量為0.47 MPa ；固含量8%水凝膠拉伸模量為0.75 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為116 %，壓縮模量為0.75 MPa;固含量10%水凝膠拉伸模量為1.23 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率為108%，壓縮模量為1.45 MPa。
[0018]實(shí)施例2
制備濃度為10%再生蠶絲蛋白水溶液以及濃度為10%羥丙基甲基纖維素水溶液，將蠶絲蛋白水溶液與羥丙基甲基纖維素水溶液以體積比9:1混合，保證最終混合溶液濃度為10%。65°C水浴加熱2h最終得到圓柱形樣品，力學(xué)性能測(cè)試得到其拉伸模量為1.40 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率為105%，壓縮模量為1.34 MPa0
[0019]實(shí)施例3
制備濃度為10%再生蠶絲蛋白水溶液以及濃度為10%羥丙基甲基纖維素水溶液，將蠶絲蛋白水溶液與羥丙基甲基纖維素水溶液以體積比9:1混合，保證最終混合溶液濃度為10%。90°C水浴加熱2h最終得到圓柱形樣品，力學(xué)性能測(cè)試得到其拉伸模量為1.28 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率為117%，壓縮模量為1.34 MPa0
[0020]實(shí)施例4
制備濃度為10%再生蠶絲蛋白水溶液以及濃度為10%羥丙基甲基纖維素水溶液，將蠶絲蛋白水溶液與羥丙基甲基纖維素水溶液以體積比5:5或7:3混合，保證最終混合溶液濃度為10%。65°C水浴加熱2h得到水凝膠，壓縮模量分別為0.34 MPa (5:5)和0.92 MPa(7:3);而以此配比制備的水凝膠不足以強(qiáng)到實(shí)施拉伸實(shí)驗(yàn)，并且凝膠不甚均勻。
[0021]實(shí)施例5
制備濃度為10%再生蠶絲蛋白水溶液以及濃度為10%甲基纖維素水溶液，將蠶絲蛋白水溶液與甲基纖維素水溶液以體積比9:1混合，保證最終混合溶液濃度為10%。65 °C水浴加熱2h最終得到圓柱形樣品，力學(xué)性能測(cè)試得到其壓縮模量為0.58 MPa0
[0022]實(shí)施例6
制備濃度為10%再生蠶絲蛋白水溶液以及濃度為10%羥丙基纖維素水溶液，將蠶絲蛋白水溶液與羥丙基纖維素水溶液以體積比9:1混合，保證最終混合溶液濃度為10%。65 0C水浴加熱2h最終得到圓柱形樣品，力學(xué)性能測(cè)試得到其壓縮模量為0.27 MPa0
[0023]實(shí)施例7
制備濃度為10%再生蠶絲蛋白水溶液以及濃度為10%羥丙基甲基纖維素水溶液，將蠶絲蛋白水溶液與羥丙基甲基纖維素水溶液以體積比9:1混合，保證最終混合溶液濃度為10%。65 0C水浴加熱2小時(shí)，得到高強(qiáng)度水凝膠，滅菌后以L929細(xì)胞測(cè)試其生物相容性，三天后細(xì)胞存活率達(dá)到93.9±6.29%，證明其沒(méi)有細(xì)胞毒性，因此具備充當(dāng)生物醫(yī)用材料的潛在可能性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種蠶絲蛋白/纖維素衍生物的共混水凝膠，其特征在于以質(zhì)量濃度分別為4~20%的桑蠶絲蛋白水溶液與纖維素衍生物水溶液按一定的體積比混合制成，桑蠶絲蛋白占最終共混水凝膠中總體固狀物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30% ~ 90%;所述的纖維素衍生物為羥丙基甲基纖維素或甲基纖維素或羥丙基纖維素。
2.—種如權(quán)利要求1所述的蠶絲蛋白/纖維素衍生物的共混水凝膠的制備方法，其特征在于具體步驟為: (O制備再生桑蠶絲蛋白水溶液，使其最終濃度為4%~20% ； (2)攪拌下，把羥丙基甲基纖維素或甲基纖維素或羥丙基纖維素水溶液粉末溶解于去離子水中，使其最終濃度為4%~20% ； (3)將步驟(I)與步驟(2)所得的兩種溶液混合均勻，水浴加熱。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于:步驟(3)中，桑蠶絲蛋白水溶液:纖維素衍生物水溶液的體積比例為3:7 ~ 9:1 ;水浴加熱溫度為65°C至90°C ;水浴加熱時(shí)間為2小時(shí)至24小時(shí)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于天然高分子材料與生物醫(yī)用材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為一類(lèi)蠶絲蛋白/纖維素衍生物的共混水凝膠及其制備方法。本發(fā)明通過(guò)對(duì)蠶絲蛋白水溶液與羥丙基甲基纖維素或甲基纖維素或羥丙基纖維素的共混水溶液加熱，即制備得到固含量為4~20%的高強(qiáng)度水凝膠。本發(fā)明的制備過(guò)程簡(jiǎn)單，綠色溫和，節(jié)能高效，成本低廉，而且可以通過(guò)簡(jiǎn)單的改變固含量來(lái)控制最終水凝膠的力學(xué)性能；所制備得到基于天然大分子高強(qiáng)度水凝膠，可應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域。
【IPC分類(lèi)】C08L1-28, C08L89-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104845382
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510231242
【發(fā)明人】邵正中, 羅坤原, 楊宇紅
【申請(qǐng)人】復(fù)旦大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年5月8日