一种丝素蛋白水凝胶的制备方法.pdf

本发明公开了一种丝素蛋白水凝胶的制备方法。将家蚕丝经脱胶、溶解、透析处理后得到的质量浓度为1～30％的丝素蛋白溶液，在0～60℃的温度条件下进行超声波振荡处理，超声波功率为10～2000瓦特，处理时间为30～600秒，再静置0～6小时，得到丝素蛋白水凝胶。采用超声波振荡处理的方法，不需要添加任何化学交联剂，能在短时间内将丝素蛋白溶液形成为水凝胶，大大提高了工作效率，同时，得到的丝素蛋白水凝胶生物相容性好，可应用于人工皮肤，人工软骨，细胞培养支架，生物反应器，酶固定化材料等生物医用方面。

1.  一种丝素蛋白水凝胶的制备方法，家蚕丝经脱胶、溶解、透析处理后得到丝素蛋白溶液，其特征在于：将上述丝素蛋白溶液在0～60℃的温度条件下进行超声波振荡处理，静置，得到丝素蛋白水凝胶。

2.  根据权利要求1所述的丝素蛋白水凝胶的制备方法，其特征在于：所述的丝素蛋白溶液的质量浓度为1～30％。

3.  根据权利要求1所述的丝素蛋白水凝胶的制备方法，其特征在于：所述的超声波振荡处理，其超声波功率为10～2000瓦特，处理时间为30～600秒。

4.  根据权利要求1所述的丝素蛋白水凝胶的制备方法，其特征在于：所述的静置时间≤6小时。

一种丝素蛋白水凝胶的制备方法
技术领域
本发明涉及一种凝胶材料的制备方法，特别涉及一种丝素蛋白水凝胶的制备方法，所制备的材料可应用于生物医学、生物技术、组织工程等技术领域。
背景技术
丝素蛋白无毒、无刺激性，具有良好的生物相容性，能够促进人体细胞的生长，具有一定的生物可降解性，通过对多种生物材料的对比研究表明，丝素蛋白具有与胶原蛋白同等的体内、体外生物相容性(Biomaterials，2003，24(3)：401-416)，因此，丝素蛋白是制造生物医学材料的较理想原料。
凝胶是介于固体与液体之间的一种物理状态，具有独特的性质，尤其是水凝胶，性质柔软，能保持一定的形状，在其中保持有大量的水份，目前被广泛用于人工皮肤、组织工程材料、药物释放、人造肌肉、生物传感器、分离装置、重金属离子回收及导电凝胶等方面。
丝素蛋白水凝胶可由丝素蛋白溶液制得。丝素蛋白溶液在静置下会逐渐向凝胶化转变，但是这个转变的时间比较长，通常要在1个月以上。通过改变丝素蛋白溶液的pH值可以加快凝胶化的过程。当pH值接近于丝素蛋白的等电点(pH＝4左右)时，丝素蛋白容易发生胶凝作用，但也需要8天的时间才能完成凝胶化(浙江工程学院学报，1999，16(3)，172—176)。此外，丝素蛋白的浓度对于凝胶时间也有影响，丝素蛋白溶液在质量浓度大于10％时比较容易形成凝胶(食品科学，2007，28(12)，58—62)，但是在质量浓度小于10％时需要很长的时间才能形成凝胶。而高质量浓度丝素蛋白溶液形成的凝胶含水量较低，孔隙率也较低，在应用时受到一定的限制。因此低质量浓度下的丝素溶液凝胶化时间太长制约了丝素蛋白水凝胶的使用。
在本发明作出之前，中国发明专利(CN1158338)公开了一种化学交联结构的海绵状丝素蛋白凝胶材料制备方法，采用调整丝素蛋白质水溶液的pH，并混入环氧化合物作为交联剂，经冷冻，凝固成凝胶。众所周知，环氧化合物具有一定的毒性，虽然采用水洗法去除未反应的环氧交联剂，但是凝胶中仍然存在残留的环氧交联剂，从而带来一定的毒性并且降低丝素蛋白的生物相容性(生物医学工程学杂志，2007，24(6)：1309～1313)。中国发明专利(CN1172002C)公开了一种家蚕丝素固定化细胞生产L-天门冬氨酸的工艺，其中同样采用了环氧化合物作为交联剂来制备丝素蛋白水凝胶，可能会产生一定的细胞毒性。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种无毒性、生物相容性好，且工作效率高的丝素蛋白水凝胶的制备方法。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种丝素蛋白水凝胶的制备方法，将家蚕丝经脱胶、溶解、透析后得到丝素蛋白溶液，再在0～60℃的温度条件下进行超声波振荡处理，静置形成丝素蛋白水凝胶。
所述的丝素蛋白溶液的质量浓度为1～30％；所述的超声波振荡处理，其超声波功率为10～2000瓦特，处理时间为30～600秒。
其中，所述的静置时间以形成水凝胶为宜，通常为几分钟至几小时，一般不超过6小时。
本发明采用超声波振荡的方法，在较短的时间(几分钟至几小时)内将丝素蛋白溶液转变成为水凝胶状态，其原理是：丝素蛋白分子在水溶液中主要以无规卷曲结构存在，由于丝素蛋白的水化作用，分子间的缠结较少，分子能够自由运动。在超声波作用下，丝素蛋白分子受到很强的作用力，分子发生强烈的相互碰撞，水化层被碰撞破坏，丝素蛋白分子相互靠近形成氢键交联，一部分丝素蛋白分子链形成了规整的β—折叠结晶结构。随着超声波作用的时间延长，发生交联的分子逐渐增加，β—折叠结晶结构也逐渐增加，最终形成水凝胶。在水凝胶的过程中，丝素蛋白形成稳定地β—折叠结晶结构，因此，丝素蛋白水凝胶具有一定的强度。
本发明具有以下明显优点：
(1)在短时间内形成丝素蛋白水凝胶，时间可以短至几分钟，大大增加制备丝素蛋白水凝胶的工作效率。
(2)本发明采用超声波振荡凝胶法制备丝素蛋白水凝胶，不需要添加任何化学交联剂，不会引起丝素蛋白生物相容性的降低，因此，本发明制备得到的丝素蛋白水凝胶生物相容性良好，可以用于人工皮肤，人工软骨，细胞培养支架，生物反应器，酶固定化材料等生物医用方面。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例1：
本实施例提供的丝素蛋白水凝胶制备步骤如下：
1.将40克白厂丝放入4升质量浓度为0.05％的碳酸钠水溶液中，于98～100℃处理0.5小时，然后洗涤，再次放入4升质量浓度为0.05％的碳酸钠水溶液中，于98～100℃处理0.5小时，重复3次，使蚕丝脱胶，充分洗涤干燥后得到纯丝素纤维。将纯丝素纤维加入300毫升9.3摩尔/升的溴化锂水溶液，在65±2℃搅拌溶解成丝素蛋白混合溶液；
2.将所得的丝素蛋白混合溶液装入透析袋中，用去离子水透析3天，去除溴化锂等杂质，得到纯的丝素蛋白溶液；
3.调节丝素蛋白溶液质量浓度为2％；
4.在20℃的室温条件下，将丝素蛋白溶液倒入玻璃烧杯中，用超声波振荡200秒，超声波功率为600瓦特；
5.将上述丝素蛋白溶液倒入模具中，室温下放置1小时，得到丝素蛋白水凝胶。
实施例2：
将40克生丝放入5升质量浓度为0.2％的碳酸钠水溶液中，于98～100℃处理2小时，使蚕丝脱胶，充分洗涤干燥后得到纯丝素纤维。将纯丝素纤维置于300毫升浓度为9.3摩尔/升的溴化锂水溶液中，在65±2℃的温度下搅拌溶解成丝素蛋白混合溶液；
将所得的丝素蛋白混合溶液装入透析袋中，用去离子水透析3天，去除溴化锂等杂质，得到纯的丝素蛋白溶液；
调节上述丝素蛋白溶液质量浓度至4％；
在37℃下，将丝素蛋白溶液倒入烧杯中，用超声波振荡处理400秒，超声波功率为400瓦特；
将超声波振荡处理过的丝素蛋白溶液倒入模具中，室温放置5分钟后得到丝素蛋白水凝胶。
实施例3：
将100克废蚕丝放入4升质量浓度为0.05％的中性皂水溶液中，于98～100℃处理0.5小时脱胶，重复处理3次，充分洗涤后得到纯丝素纤维。将晾干后的纯丝素纤维用100毫升摩尔比为1:8:2的氯化钙、水、乙醇溶液，在75±5℃下加热溶解得到丝素蛋白混合溶液；
用纤维素膜为透析材料，将所得的丝素蛋白混合溶液用去离子水透析3天，得到纯的丝素蛋白溶液；
调节丝素蛋白溶液质量浓度为6％；
在冰水浴0℃下，丝素蛋白溶液倒入烧杯中，用超声波振荡处理400秒，超声波功率为400瓦特；
将超声波振荡处理过的丝素蛋白溶液倒入模具中，在37℃的温度下放置40分钟，形成丝素蛋白水凝胶。
实施例4：
将200克茧壳放入20升质量浓度为0.3％的碳酸钠水溶液中，于98～100℃处理2小时，使茧壳脱胶，充分洗涤后得到纯丝素(即丝素蛋白)。将晾干后的纯丝素，用100毫升9.3摩尔/升的溴化锂水溶液，在65±2℃搅拌溶解成丝素蛋白混合溶液；
将所得的丝素蛋白混合溶液用去离子水透析，去除溴化锂等杂质，得到纯的丝素蛋白溶液；
调节丝素蛋白溶液质量浓度为8％。
将丝素蛋白溶液注入铝盒中，在40℃下用超声波振荡100秒，超声波功率为200瓦特；
将超声波振荡处理过的丝素蛋白溶液倒入模具中，在40℃的温度下放置半小时后得到丝素蛋白水凝胶。
实施例5：
将40克白厂丝放入4升质量浓度为0.05％的碳酸钠水溶液中，于98～100℃处理0.5小时，然后洗涤，再次放入4升质量浓度为0.05％的碳酸钠水溶液中，于98～100℃处理0.5小时，重复3次，使蚕丝脱胶，充分洗涤干燥后得到纯丝素纤维。将纯丝素纤维放入300毫升浓度为9.3摩尔/升的溴化锂水溶液中，在65±2℃的温度条件下搅拌，溶解成丝素蛋白混合溶液；
将所得的丝素蛋白混合溶液装入透析袋中，用去离子水透析3天，去除溴化锂等杂质，得到纯的丝素蛋白溶液；
调节丝素蛋白溶液质量浓度为10％。
在室温20℃下，将上述丝素蛋白溶液倒入烧杯中，用超声波振荡100秒，超声波功率为300瓦特。
将超声波振荡处理过的丝素蛋白溶液倒入模具中，室温条件下放置10分钟形成丝素蛋白水凝胶。
实施例6：
将200克茧壳放入20升质量浓度为0.3％的碳酸钠水溶液中，于98～100℃处理2小时，使茧壳脱胶，充分洗涤后得到纯丝素(即丝素蛋白)。将晾干后的纯丝素，用100毫升9.3摩尔/升的溴化锂水溶液，在65±2℃搅拌溶解成丝素蛋白混合溶液；
将所得的丝素蛋白混合溶液用去离子水透析，去除溴化锂等杂质，得到纯的丝素蛋白溶液；
浓缩丝素蛋白溶液质量浓度到16％。
将丝素蛋白溶液注入铝盒中，在40℃下用功率为400瓦特的超声波振荡处理90秒；
将超声波振荡处理过的丝素蛋白溶液倒入模具中，室温下放置5分钟后形成丝素蛋白水凝胶。