CN110028685B - 一种丝素/壳聚糖/多孔氧化石墨烯复合三维支架的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种丝素/壳聚糖/多孔氧化石墨烯复合三维支架的制备方法，包括以下步骤：(1)取多孔氧化石墨烯溶液加入到丝素蛋白溶液中，得到混合溶液A；(2)取壳聚糖加入乙酸水溶液中，加热搅拌，配成壳聚糖水溶液；(3)将步骤(2)中的壳聚糖水溶液离心后加入到步骤(1)中的混合溶液A中，得到混合溶液B；(4)将步骤(3)所得混合溶液B进行冷冻干燥处理，即得到目的产物。与现有技术相比，本发明的工艺简单，工业化可行性强，获得的三维支架材料具有力学性能优良、生物活性高、可降解性强的优点。
Description
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，涉及一种丝素/壳聚糖/多孔氧化石墨烯复合三维支架的制备方法。
背景技术
家蚕丝素蛋白是一种通过将蚕丝溶解提纯，得到由乙氨酸、丙氨酸、丝氨酸等十八种氨基酸所组成的天然高分子材料，其来源丰富，具有良好的生物相容性、透气透湿性和可降解性等优点。丝素蛋白材料除用于外科手术缝合线、化妆品及食品添加剂等行业，近年来越来越多的研究者已开始探讨它应用于细胞培养基，药物控制释放载体及人工皮肤等生物医学材料的可能性。天然蚕丝虽具有优异的力学强度和韧性，但由于其分子二级结构的变化，经溶解再生后，丝素蛋白形成的支架材料通常在干态下变得很脆，难以加工。行业中通过添加不同诱导剂的措施外，还通过与其它天然或合成高分子混合来解决这一问题。另外，冷冻干燥法是制备三维多孔支架材料简单有效的方法之一，但对单纯的丝素蛋白，在冷冻干燥过程中，丝素分子会自组装成片层结构，这在一定程度上会影响其宏观上的孔隙结构，能否通过加入外掺剂，改善丝素蛋白分子之间的相互作用，抑制丝素蛋白分子的自组装成片状，也是关键问题之一。
壳聚糖(CS)是由甲壳素脱乙酰后产生的一种可体内降解吸收的天然生物多糖，是自然界惟一带正电的多糖类高分子材料。由于其具有良好的生物相容性、可生物降解性和多官能团，壳聚糖在水处理、分离膜、食品包装、组织工程和药物输送等广泛领域引起了广泛的关注。
石墨烯具有优异的力学性能、大的比表面积和良好的生物相容性，因而在生物医学领域拥有巨大的应用潜力。多孔氧化石墨烯(HGO)是石墨烯的一种衍生物，多孔氧化石墨烯片层上具有很多含氧官能团，如羰基、羧基、羟基等，使其可以与多种丝蛋白肽链进行多重共价反应，同时也存在离子键和氢键等非共价作用。
因此，若能将丝素蛋白、壳聚糖和石墨烯三种材料复合制备结合三种材料优点的复合材料，必能具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种丝素/壳聚糖/多孔氧化石墨烯复合三维支架的制备方法，通过溶液混合和冷冻干燥等措施，获得具有更好力学性能和生物活性的丝素蛋白三维复合支架。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种丝素/壳聚糖/多孔氧化石墨烯复合三维支架的制备方法，包括以下步骤：
(1)取多孔氧化石墨烯溶液加入到丝素蛋白溶液中，得到混合溶液A；
(2)取壳聚糖加入乙酸水溶液中，加热搅拌，配成壳聚糖水溶液；
(3)将步骤(2)中的壳聚糖水溶液离心后加入到步骤(1)中的混合溶液A中，得到混合溶液B；
(4)将步骤(3)所得混合溶液B进行冷冻干燥处理，即得到目的产物。
进一步的，步骤(1)中，多孔氧化石墨烯溶液与丝素蛋白溶液的添加量满足：多孔氧化石墨烯与丝素蛋白的质量比为1-2:1。
进一步的，步骤(1)中，丝素蛋白溶液为质量分数3.5％的丝素蛋白水溶液；
多孔氧化石墨烯溶液的浓度为0.1-0.3g/L。
进一步的，步骤(1)中，丝素蛋白溶液的配制过程为：将蚕茧脱胶后得到的纤维状丝素置于LiBr溶液中，加入Na2CO3溶液，使得纤维状丝素溶解，再进行渗析处理，即完成。
更进一步的，LiBr溶液的浓度为9M，Na2CO3溶液的浓度为0.02M，溶液配制的温度为60℃。
进一步的，步骤(2)中，乙酸水溶液的质量分数为2％，加热搅拌的条件为：在100℃水浴中以600r/min转速搅拌1h，配成的壳聚糖水溶液的质量分数为2％。
进一步的，步骤(3)中，壳聚糖水溶液与混合溶液A的质量比为0.1-1:1。
进一步的，步骤(4)中，冷冻干燥的温度为-20℃～-60℃，干燥时间为10-15h。
丝素蛋白作为天然高分子具有良好的生物相容性，但其结晶性较高，脆度大，加入壳聚糖可以改善丝素蛋白的结晶性，多孔氧化石墨烯可以很好地与二者结合，而且为三维支架提供一个更好的多孔网络结构。丝素蛋白溶液在配置过程中，需要LiBr来进行有效的脱胶，相比较用三元溶剂溶解，使用单一溴化锂便捷且脱胶率较高。若丝素蛋白量添加过多，会导致支架的片状结构增多；若不添加HGO，SF/CS形成主要是小孔的片结构，严重影响三维支架的整体结构，对后续的吸附等均产生影响。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)丝素蛋白，壳聚糖和多孔氧化石墨烯之间接触即发生交联和超分子自组装，无须添加交联剂和调节PH，并且氧化石墨烯的存在可以使丝素蛋白由无规构象转向规则结构，可以减少甲醇等化学试剂的加入，工艺简单，可工业化生产；
2)获得的三维支架力学性能优良、生物活性高、生物降解能力强；
3)具有广泛的应用前景：可用作组织生物材料，人造器官，面膜，过滤分离材料等其他领域的应用。
附图说明
图1为本发明的制备工艺流程图；
图2为实施例1制备的三维支架的扫描电镜图
图3为实施例4制备的丝素/壳聚糖复合支架的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种丝素、壳聚糖和多孔氧化石墨烯复合三维支架的制备方法，其具体步骤如下：
1)利用0.02mol/L Na2CO3溶液将蚕茧脱胶后得到丝素蛋白，将其在60℃下溶解于9mol/L LiBr溶液中4h，后用透析膜透析72h，得到质量体积分数为6～7w/v％的丝素蛋白水溶液，加入适当水配制成质量分数为3.5％的丝素蛋白溶液，放在4℃冰箱中保存待用；
2)将0.1g/l的多孔氧化石墨烯溶液加入到步骤1)得到的丝素溶液中，得到混合溶液A，其中氧化石墨烯：丝素蛋白的质量比为2:1；
3)将2.5g壳聚糖置于2％的乙酸水溶液中，在100℃水浴中600r/min磁力搅拌1h，制备得到质量分数为2％的壳聚糖溶液，使用前离心；
4)将步骤3)壳聚糖溶液离心后加入到步骤2)获得的混合溶液A中，得到混合溶液B，其中壳聚糖与混合溶液A的质量比为0.1:1，将混合溶液B超声震荡15～20min，使得多孔石墨烯，丝素蛋白和壳聚糖之间彼此交联，充分结合；
5)将步骤4)中得到的混合溶液B经-20℃的条件下冷冻过夜，再用冷冻干燥机干燥10h，即得到丝素、壳聚糖和多孔氧化石墨烯复合三维支架材料。
实施例2
一种丝素、壳聚糖和多孔氧化石墨烯复合三维支架的制备方法，其具体步骤如下：
1)按照实施例1方法制备质量分数为3.5％的丝素蛋白溶液，放在4℃冰箱中保存待用；
2)将0.2g/l的多孔氧化石墨烯溶液加入到步骤1)得到的丝素溶液中，得到混合溶液A，其中氧化石墨烯：丝素蛋白的质量比为1.5:1；
3)按照实施例1的方法制备质量分数为2％的壳聚糖溶液，使用前离心；
4)将步骤3)壳聚糖溶液离心后加入到步骤2)获得的混合溶液A中，得到混合溶液B，其中壳聚糖与混合溶液A的质量比为0.6:1，将混合溶液B超声震荡15～20min，使得多孔石墨烯，丝素蛋白和壳聚糖之间彼此交联，充分结合；
5)将步骤4)中得到的混合溶液B经-40℃的条件下冷冻过夜，再用冷冻干燥机干燥12h，即得到丝素、壳聚糖和多孔氧化石墨烯复合三维支架材料。
实施例3
一种丝素、壳聚糖和多孔氧化石墨烯复合三维支架的制备方法，其具体步骤如下：
1)按照实施例1方法制备质量分数为3.5％的丝素蛋白溶液，放在4℃冰箱中保存待用；
2)将0.3g/l的多孔氧化石墨烯溶液加入到步骤1)得到的丝素溶液中，得到混合溶液A，其中氧化石墨烯：丝素蛋白的质量比为1:1；
3)按照实施例1的方法制备质量分数为2％的壳聚糖溶液，使用前离心；
4)将步骤3)壳聚糖溶液离心后加入到步骤2)获得的混合溶液A中，得到混合溶液B，其中壳聚糖与混合溶液A的质量比为1:1，将混合溶液B超声震荡15～20min，使得多孔石墨烯，丝素蛋白和壳聚糖之间彼此交联，充分结合；
5)将步骤4)中得到的混合溶液B经-60℃的条件下冷冻过夜，再用冷冻干燥机干燥15h，即得到丝素、壳聚糖和多孔氧化石墨烯复合三维支架材料。
对本实施例1中制得的丝素、壳聚糖和多孔氧化石墨烯复合三维支架材料进行形貌表征。附图1为复合三维支架材料制备工艺流程图，如图2为三维支架材料的扫描电镜图，如图所示本发明制备的复合三维支架具有高度多孔性，孔径约为20um～40um之间，且孔与孔相互连通，该支架材料具有良好的多孔结构和生物活性，可作为组织生物材料、人造器官、面膜、过滤分离材料。
实施例4
一种丝素、壳聚糖复合支架的制备方法，其具体步骤如下：
1)按照实施例1方法制备质量分数为3.5％的丝素蛋白溶液，放在4℃冰箱中保存待用；
2)按照实施例1的方法制备质量分数为2％的壳聚糖溶液，使用前离心；
3)将步骤2)壳聚糖溶液离心后加入到步骤1)获得的丝素蛋白溶液中，得到混合溶液A，其中壳聚糖与丝素蛋白的质量比为1:1，将混合溶液A超声震荡15～20min，使得丝素蛋白和壳聚糖之间彼此交联，充分结合；
4)将步骤3)中得到的混合溶液A经-60℃的条件下冷冻过夜，再用冷冻干燥机干燥15h，即得到丝素/壳聚糖复合支架材料。
对本实施例1中制得的丝素、壳聚糖和多孔氧化石墨烯复合三维支架材料进行形貌表征。附图1为复合三维支架材料制备工艺流程图，如图2为三维支架材料的扫描电镜图，如图所示本发明制备的复合三维支架具有高度多孔性，孔径约为20um～40um之间，且孔与孔相互连通，该支架材料具有良好的多孔结构和生物活性，可作为组织生物材料、人造器官、面膜、过滤分离材料。
本实施例4中制得的丝素/壳聚糖复合支架进行形貌表征。附图3为复合支架的扫描电镜图，如图所示本实施例在没有添加多孔氧化石墨烯的情况下，主要成片状小孔结构，且脆度较大，力学性能差。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种丝素/壳聚糖/多孔氧化石墨烯复合三维支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取多孔氧化石墨烯溶液加入到丝素蛋白溶液中，得到混合溶液A；
(2)取壳聚糖加入乙酸水溶液中，加热搅拌，配成壳聚糖水溶液；
(3)将步骤(2)中的壳聚糖水溶液离心后加入到步骤(1)中的混合溶液A中，得到混合溶液B；
(4)将步骤(3)所得混合溶液B进行冷冻干燥处理，即得到目的产物；
步骤(1)中，多孔氧化石墨烯溶液与丝素蛋白溶液的添加量满足：多孔氧化石墨烯与丝素蛋白的质量比为1-2:1；
步骤(1)中，丝素蛋白溶液为质量分数3.5％的丝素蛋白水溶液；
多孔氧化石墨烯溶液的浓度为0.1-0.3g/L；
步骤(2)中，乙酸水溶液的质量分数为2％，加热搅拌的条件为：在100℃水浴中以600r/min转速搅拌1h，配成的壳聚糖水溶液的质量分数为2％；
步骤(3)中，壳聚糖水溶液与混合溶液A的质量比为0.1-1:1。
2.根据权利要求1所述的一种丝素/壳聚糖/多孔氧化石墨烯复合三维支架的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，丝素蛋白溶液的配制过程为：将蚕茧脱胶后得到的纤维状丝素置于LiBr溶液中，加入Na2CO3溶液，使得纤维状丝素溶解，再进行渗析处理，即完成。
3.根据权利要求2所述的一种丝素/壳聚糖/多孔氧化石墨烯复合三维支架的制备方法，其特征在于，LiBr溶液的浓度为9M，Na2CO3溶液的浓度为0.02M，溶液配制的温度为60℃。
4.根据权利要求1所述的一种丝素/壳聚糖/多孔氧化石墨烯复合三维支架的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，冷冻干燥的温度为-20℃～-60℃，干燥时间为10-15h。
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