一种高强度耐磨的丝素蛋白水凝胶及其应用

一种高强度耐磨的丝素蛋白水凝胶及其应用
1.技术领域
2.本发明属于仿生高分子材料领域，特别涉及丝素蛋白水凝胶的制备方法与应用。
3.

背景技术：

4.关节软骨是一种透明软骨，可润滑减轻反复运动的关节面的摩擦，但是由于其无血管、无神经、无淋巴的特性，导致关节软骨损伤后难以自我修复和再生凹。严重的运动损伤可导致软骨剥脱，不合理治疗可发展为创伤性骨关节炎，中老年人各种原因导致的软骨磨损和退变均可导致骨关节炎(oa)的发生发展，骨关节炎会进一步导致关节骨软骨缺损的形成，引起患者关节疼痛、功能障碍，影响患者的生活质量。目前对软骨损伤的治疗只能缓解症状，不能减缓软骨退化。动物实验及临床研究发现，直径超过4 mm的全层软骨缺损无法自我愈合，且临床难以修复大面积关节骨软骨损伤，这已成为困扰临床工作的难题。我国每年因创伤、关节疾病等造成的关节软骨损伤病例约6500万，严重危害了人民的生命健康和生活质量，加重了社会医疗的负担。骨软骨缺损的修复是临床上急需解决的问题，具有重大的经济和社会价值，属于国家的重大需求。因此，急需针对大面积骨关节炎导致的骨软骨缺损的修复和再生的材料，以期能改善人民的生活质量和减轻国家的医疗负担。目前上市的产品中缺少高强度耐磨的骨与软骨修复材料。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高强度耐磨的丝素蛋白水凝胶及其作为骨与软骨修复材料的应用。
6.本发明通过下述方案实现：一种丝素蛋白水凝胶，由如下步骤制成：（1）功能化的甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的丝素蛋白的制备：取削口蚕茧加入碳酸钠水溶液中，煮沸，脱胶、直至无黄色胶质沉淀产生；而后用大量去离子水清洗脱胶蚕茧，洗净后烘干得到干态的丝素蛋白，取干态丝素蛋白于溴化锂溶液中溶解，然后在避光条件下加入甲基丙烯酸缩水甘油酯反应，反应结束透析冻干得到功能化的甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的丝素蛋白；所述无黄色胶质沉淀产生是指除去丝胶蛋白。用大量去离子水清洗脱胶蚕茧目的是为了除去丝胶蛋白和多余碳酸钠。洗净后烘干是为了去除水分，得到干态的丝素蛋白。将干态丝素蛋白完全溶解，然后在避光条件下加入甲基丙烯酸缩水甘油酯，避光是为了避免原材料氧化分解。
7.（2）巯基化透明质酸的制备：取透明质酸加入蒸馏水中，搅拌溶解，待固体完全溶解可得到透明质酸溶液；再将l-半胱氨酸盐酸盐加入到透明质酸溶液中，紧接着加入edc/
nhs避光搅拌溶解，调节溶液ph至4.7，让l-半胱氨酸盐酸盐接枝可得到巯基化透明质酸复合物；然后依次用ph为5的去离子水、含1wt%的nacl的ph为5的去离子水、ph为5的去离子水，分别透析3天，而后避光冷冻干燥得到巯基化透明质酸；（3）载姜黄素多囊泡脂质体的制备：取氢化大豆卵磷脂放入烧瓶中，超声，同时晃动烧瓶，即得到的载姜黄素多囊泡脂质体；（4）丝素蛋白水凝胶的制备：将功能化的甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的丝素蛋白充分溶解，再加入步骤（2）所得的巯基化透明质酸，溶解完全的时候再加入步骤（3）所得的载姜黄素多囊泡脂质体，将体系的ph调节至7即可得到丝素蛋白水凝胶。
8.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：1.本发明制备丝素蛋白水凝胶采用的制备方法比较温和，无需加入交联剂。本发明采用的原料成分纯天然低毒，生物相容性优良有利于细胞生长。本发明的基材方面选择了透明质酸和载姜黄素多囊泡脂质体起到润滑的作用，可作为一种通用的高强度耐磨且润滑的生物材料应用于骨关节、髋关节、指关节等，基材方面上不仅选择了透明质酸和多囊泡脂质体起到润滑的作用，并且其负载的姜黄素有消炎的主功能。
9.2. 本发明所得丝素蛋白水凝胶具有较好的强度、耐磨性、润滑性和保水性能；其提高了关节处的润滑度，减少了关节处组织的磨损程度，可应用于骨与软骨修复。
附图说明
10.图1是本发明制备的载姜黄素多囊泡脂质体透射电镜图 。
11.图2是本发明制备的高强度耐磨的丝素蛋白水凝胶的实物图。
12.图3是本发明的高强度耐磨的丝素蛋白水凝胶的压缩性能测试图。
13.图4是本发明的高强度耐磨的丝素蛋白水凝胶的耐磨性能测试图。
14.图5是本发明的高强度耐磨的丝素蛋白水凝胶sf-ma/ha-sh gel（20-4）的浸提液的细胞毒性图。
15.具体实施方式
16.下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
17.实施例1：高强度耐磨的丝素蛋白水凝胶的制备及性能表征一、制备方法1）多囊泡脂质体的合成：制备多囊脂质体负载姜黄素：称取氢化大豆卵磷脂溶于含有10umol/l的姜黄素的双蒸水中再在55
°
c的水中超声15分钟，最终使得磷脂浓度分散为30 mm。
18.2）改性丝素蛋白与透明质酸的制备：制备功能化丝素蛋白：取30g削口蚕茧加入2l浓度为0.02m的碳酸钠水溶液中，换水煮沸1-2小时，脱胶。而后用大量去离子水清洗脱胶蚕茧，洗净后放入60℃烘箱过夜烘干得到干态的丝素蛋白，称取2.5g的干态丝素蛋白在60℃条件下，于25ml的9.3m的溴化锂溶液中溶解1小时，然后在避光条件下加甲基丙烯酸缩水甘油酯反应3小时。反应结束，透析冻
干。
19.制备改性透明质酸：将4g透明质酸溶于1000ml水中，分别加入终浓度为50mmol/l的1-乙基-3-(3-二甲基胺丙基)-碳化二亚胺盐酸盐( edc )和n-羟基琥珀酰亚胺( nhs),加1 mol/lhci溶液调节ph至5.50，室温、避光搅拌反应15 min;称取0.8g半胱氨酸盐酸盐(cys)加至反应体系中，加1mol/l 氢氧化钠溶液调节ph至4.75，室温、避光搅拌反应5h；依次以ph均为5.0的hci溶液、含1wt%氯化钠(naci)的hcl溶液和hci溶液4
°
c避光透析3d，冷冻干燥。
20.3）高强度耐磨的丝素蛋白水凝胶的制备按照丝素蛋白/透明质酸的分别的质量分数10%/2%，在低温条件下将功能化的甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的丝素蛋白充分溶解，再加入巯基化透明质酸，溶解完全的时候再加入载姜黄素多囊泡脂质体，将体系的ph调节至7即可得到高强度耐磨的丝素蛋白水凝胶。
21.二、性能表征：所制多囊载药型脂质体粒径在500nm左右，中心实质包载了大量的姜黄素在囊泡内部，力学性能良好为537.3kpa左右，可以媲美人体关节软骨压缩模量（1.1mpa）；masf与hash通过迈克加成的温和反应形成了稳定的交联网络结构，从而得到了高强度耐磨丝素蛋白水凝胶以媲美人关节软骨，有望成为优良的关节软骨修复材料。
22.实施例2：高强度耐磨的丝素蛋白水凝胶的制备及性能表征一、制备方法1）多囊泡脂质体的合成：制备多囊脂质体负载姜黄素：称取氢化大豆卵磷脂溶于含有10umol/l的姜黄素的双蒸水中再在55
°
c的水中超声15分钟，最终使得磷脂浓度分散为40 mm。
23.2）改性丝素蛋白与透明质酸的制备：制备功能化丝素蛋白：取30g削口蚕茧加入2l浓度为0.02m的碳酸钠水溶液中，换水煮沸1-2小时，脱胶。而后用大量去离子水清洗脱胶蚕茧，洗净后放入60℃烘箱过夜烘干得到干态的丝素蛋白，称取2.5g的干态丝素蛋白在60℃条件下，于25ml的9.3m的溴化锂溶液中溶解1小时，然后在避光条件下加入甲基丙烯酸缩水甘油酯反应3小时。反应结束，透析冻干。
24.制备改性透明质酸：将4g透明质酸溶于1000ml水中，分别加入终浓度为50mmol/l的1-乙基-3-(3-二甲基胺丙基)-碳化二亚胺盐酸盐( edc )和n-羟基琥珀酰亚胺( nhs),加1 mol/lhci溶液调节ph至5.50，室温、避光搅拌反应15 min；称取0.8g半胱氨酸盐酸盐(cys)加至反应体系中，加1mol/l 氢氧化钠溶液调节ph至4.75，室温、避光搅拌反应5h；依次以ph均为5.0的hci溶液、含1wt%氯化钠(naci)的hcl溶液和hci溶液4
°
c避光透析3d，冷冻干燥。
25.3）高强度耐磨的丝素蛋白水凝胶的制备按照丝素蛋白/透明质酸的分别的质量分数20%/4%，在低温条件下将功能化的甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的丝素蛋白充分溶解，再加入巯基化透明质酸，溶解完全的时候再加入载姜黄素多囊泡脂质体，将体系的ph调节至7即可得到高强度耐磨的丝素蛋白水凝胶。
个细胞接种于96孔板后，分别用100 μl浸提液孵育1、3 和 7 天后，吸掉旧培养基，用pbs清洗，然后向每个孔中加入新的100 μl培养基和10 μl cck-8 溶液，孵育 4小时后，将溶液转移到新的 96 孔板中，用酶标仪在450 nm测量吸光度。按上述步骤培养细胞，通过活死细胞染色试剂盒（吖啶橙/溴化乙锭（ao/eb）测定试剂盒）染色细胞后用荧光显微镜立即观察细胞的生长情况，可以发现骨细胞mc-3t3e1细胞相容性极好。
34.实施例5：使用水凝胶的浸提液来分析其对细胞的毒性。图5为通过cck-8测得的sf-ma/ha-sh gel（20-4）的浸提液的细胞活性图，浸提液处理（0.1 g样品/ml培养基）时间分别为1天、3天和7天。由结果可知，对照组和凝胶组在第1天、第3天和第7天的细胞活性没有明显差的差异（p值 》 0.05），表明了该水凝胶具有良好的细胞相容性。为了进一步验证水凝胶的细胞相容性，我们采用吖啶橙（ao）/溴化乙锭（eb）的活死细胞染色试剂盒对细胞进行染色分析，具体原理为：ao可以透过有完整细胞膜的活细胞而发绿色荧光，eb不能透过有完整细胞膜的活细胞而只能透过受损的细胞膜或死细胞而发橘红色荧光。如图为sf-ma/ha-sh gel（20-4）浸提液的细胞活死染色图，浸提液处理时间分别为1天、3天和7天，由图5可知对照组和实验组的细胞都为绿色荧光，几乎看不到红色荧光的死细胞，细胞生长状态为长梭形，表明其细胞活性良好。