一种高强度多肽水凝胶的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水凝胶的制备方法，尤其涉及一种高强度多肽水凝胶的制备方法；属 于化学制备领域。
【背景技术】
[0002] 水凝胶是以水为分散介质的凝胶材料，由于其丰富的孔结构和三维网状结构能够 提供较好的渗透性和机械支撑，因此在诸多领域有着广泛的应用前景。近年来，水凝胶材料 备受国内外科学家的关注，对其在生物医学如组织工程、药物运输等方面的应用进行了大 量研究。普通的水凝胶可以通过高分子量的合成聚合物之间或者一些小分子之间的共价交 联得到，但是，这样的交联方式需要通过化学合成来进行。由于大部分的化学试剂含有毒 性，从而导致其形成的水凝胶没有生物活性，也不可降解；另一种方法是利用一些小分子自 身可以自组装的特性，通过非共价的相互作用形成网状结构，在温和的生理条件下进一步 成胶。由于第二种合成的方法条件温和，组成单元可选可控，因此形成的胶具有良好的生物 相容性、可逆性等优势，从而使这种方法越来越多的引起人们的关注。
[0003] 近些年来，人们通过对氨基酸残基的排列组合，设计合成各种不同序列的肽分子， 通过精巧的分子结构和性质调控，很多肽分子可以自组装形成稳定的水凝胶。肽分子作为 小分子物种，其水凝胶的形成一般是肽分子自组装形成纳米纤维，再由纤维进一步三维交 联形成宏观上水凝胶结构。这一过程是通过各种非共价相互作用如静电作用、氢键、疏水作 用、π-π堆积等驱动完成，这就使得肽水凝胶具有良好的可调控性和可逆性。而且，由于 肽分子最初来源于生物体，其基本结构单元是α -氨基酸，有着较好的生物相容性，因此在 体内可以降解，并且代谢产物无毒。肽自组装形成的水凝胶含水量非常高，并且这种支架的 孔结构与细胞外间质的结构类似，不仅能使细胞存活和移动，还能使生长因子和营养素等 缓慢地扩散出入，是可控制细胞分化的理想细胞培养基质，并且支撑细胞成长为一个完整 组织的理想材料。近些年来基于肽自组装形成的水凝胶材料研究已经逐渐成为了材料领域 的研究热点，在纳米材料，生物医学及组织工程等领域呈现出广阔的应用前景。
[0004] 然而也正是由于肽分子水凝胶的形成一般是肽分子首先自组装形成纳米纤维，再 由纤维进一步三维交联形成宏观上的水凝胶结构。这一过程是基于非共价相互作用形成， 成胶能力有限，且其纤维间的交联强度往往较低，导致其凝胶强度有限，自支撑性能差，容 易被破坏；而且，其纤维交联所形成的三维网络结构孔径往往较小且难于有效调控，这大大 限制了其在组织工程材料等领域的应用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种高强度多肽水凝胶的制备方法，用于制备水凝胶，且制 备出的水凝胶力学强度高，同时水凝胶的力学强度和孔径尺寸是可调的。
[0006] 本发明的技术方案为：
[0007] -种高强度多肽水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0008] (1)选择能够自组装形成长纤维结构且带正电荷的多肽分子，配制所述多肽分子 的水溶液，浓度为2mmol/L-10mmol/L ;超声混匀，静置，使其自组装为长纤维结构；
[0009] (2)向步骤⑴所得的长纤维结构溶液中加入氧化石墨烯（GO)片层，使GO片层 的浓度为〇. 02~1.0 mg/mL，超声混勾，调节所得多肽/GO片层混合溶液的pH值在8-11之 间，静置，待体系熟化稳定后形成杂化水凝胶，即所述的高强度多肽水凝胶。
[0010] 所述步骤⑴中，所述多肽分子含有1个以上的带正电荷的氨基酸残基，优选I3K 或K3A3I3G3V3，尤其优选K 3A3I3G3V3，二者分子结构式分别为：
[0011] I3K分子结构式为：
[0015] 所述步骤（1)中，所述多肽分子浓度优选3-5mmol/L。
[0016] 所述步骤（1)中，超声的目的是对溶液混匀，只要能达到混匀的目的即可；优选超 声的条件为：超声功率为：90-110W，超声时间为：5-15min。
[0017] 所述步骤⑵中，所述GO片层尺寸参数为：长度为100-1500nm，宽度为 100-1500nm，厚度为 l-2nm ;优选长度为 300 ± 200nm，宽度为 300 ± 200nm。
[0018] 所述步骤（2)中，超声的目的是对溶液混匀，只要能达到混匀的目的即可；优选超 声的条件为：超声功率为：90-110W，超声时间为：5-15min。
[0019] 所述步骤（1)中，一般常温下放置1-7天，多肽分子便可自组装为长纤维结构；长 纤维结构是否形成可以通过透射电镜（TEM)进行检测。
[0020] 所述步骤（2)中，调节所得多肽/GO片层混合溶液的pH值可以降低多肽分子电 荷，有利于成胶。体系熟化是否完成则可以通过溶液流动性的消失来判断，若熟化完成，将 盛放溶液的小瓶倒置溶液不会流下；一般静置5-8小时便可熟化完成。
[0021] GO片层是石墨经强酸氧化制备，其长度和宽度尺寸难以控制到很精确的范围，通 常使用的尺寸范围以某一尺寸点为中心，呈左右扩散趋势；例如长度为300±200nm的GO片 层是指长度集中在300nm附近，并向左右扩散200nm的尺寸范围内的片层都可以接受（即 可接纳的尺寸范围为100_500nm)。GO片层的尺寸也常根据实际使用中对水凝胶孔径尺寸 大小的需求进行调节选择。
[0022] GO片层是厚度为l_2nm的薄片，其横向尺寸可为几十纳米到十几微米范围，其结 构特征使其具有聚合物、胶体、薄膜以及两性分子的特性，是一种优良的软性碳材料。GO片 层一般由石墨经强酸氧化而得，其表面和边缘有羧基、酚羟基和环氧基团等极性带电集团， 在水中具有很好的分散性，且易于与其它物质相互作用。
[0023] 本发明将氧化石墨烯（GO)片层引入到多肽水凝胶中，通过GO片层与多肽自组装 纤维的相互作用形成空间三维网络结构，实现对水分子的有效结合和固定，形成水凝胶结 构，大大提高了体系的成胶能力，得到高强度的肽/GO杂化水凝胶材料。GO片层具有优良的 力学性能，其作为凝胶形成的促进剂和交联剂，可以大大提高杂化水凝胶的力学强度，而且 通过对GO片层尺寸和表面电荷密度的调节可以有效调控杂化水凝胶材料的力学强度和孔 径大小。
[0024] 本发明可通过调节GO片层的尺寸及浓度，实现对杂化水凝胶力学强度、孔径尺寸 的调控。
[0025] -般来讲，在适当的GO片层浓度范围内，GO片层浓度越高，储能模量（G'）和耗能 模量（G")越大，得到的水凝胶力学性能越好；所述适当浓度范围是指GO片层的加入不能引 起体系的沉淀产生，GO片层加入量太大，会产生沉淀，体系分相，无法形成均一的水凝胶。
[0026] 不同尺寸GO片层同样影响水凝胶的力学性能，在GO片层加入量相同的情况下，随 着GO片层尺寸增加，体系力学性能下降，此外尺寸过大的GO片层在溶液中难于均一分散， 导致水凝胶的均匀性下降。不同尺寸GO片层的加入会影响水凝胶的孔径大小。
[0027] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0028] (1)将GO片层引入到多肽水溶液中，通过GO片层与多肽自组装纤维的相互作用， 可以提高体系的成胶能力，得到高强度的多肽/GO杂化水凝胶材料；
[0029] (2)可以通过GO片层的尺寸及浓度控制来调控多肽/GO杂化水凝胶的力学强度和 孔径尺寸等性质。
【附图说明】
[0030] 图1多肽/GO杂化水凝胶制备流程示意图，
[0031 ] 图2实施例3杂化水凝胶的流变测定结果，
[0032] 图3实施例3杂化水凝胶的透射电镜（复染法）图片。
【具体实施方式】
[0033] 以下结合实施例和附图对本发明进行详细的阐述，其中图1是本发明的多肽/GO 杂化水凝胶制备流程示意图，图中简要地呈现了本发明的制备流程。
[0034] 实施例1
[0035] (1)配制I3K多肽分子4. Ommol/L水溶液，超声混匀，超声功率为100W，超声时间 为IOmin ;常温下静置3天，使其自组装为长纤维结构，此时体系不能形成水凝胶；
[0036] (2)在上述含有多肽长纤维结构的溶液中加入长度为300±200nm，宽度为 300±200nm，厚度为l-2nm的GO片层，使GO片层浓度为0· lmg/mL (即每mL溶液添加0· Img GO片层），超声混匀，超声功率为100W，超声时间为12min ;采用浓度为0. 5mol/L的NaOH溶 液调节混合溶液PH值为10. 5,常温静置6小时，形成杂化水凝胶。
[0037] 实施例1所得水凝胶储能模量（G'）可达4000Pa，耗能模量（G〃）可达500Pa，凝胶 孔径尺寸小于400nm ;通过本实施制备方法可以形成自支撑的杂化水凝胶。
[0038] 实施例2
[0039] (1)配制K3A3I3G 3V3S肽分子4. Ommol/L水溶液，超声混