具有互穿网络结构的角蛋白/甲基丙烯酸-β-羟乙酯复合水凝胶的制备及应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种角蛋白高分子复合水凝胶的制备，尤其涉及一种具有互穿网络结构的角蛋白/甲基丙烯酸-P-羟乙酯复合水凝胶的制备；本发明同时还涉及该角蛋白/甲基丙烯酸-P-羟乙酯复合凝胶作为药物载体的应用，属于复合材料领域及生物医用材料技术领域。
【背景技术】
[0002]随着科技进步，药物控制释放体系的研究已引起人们越来越广泛的重视。通过高分子药物控制释放体系，使药物在载体系统中达到时间或空间上的控制释放，保持药物在血液中对疾病治疗所需的最适浓度，避免常规给药中，血药浓度偏高时中毒，偏低时治疗无效的问题。
[0003]互穿聚合物网络(IPN)是20世纪70年代发展起来的一种新型高分子材料，也称为互穿网络聚合物，是由两种或更多具有独立结构和独立性质的不同聚合物组成的一种混合物。由于IPN材料中两种或两种以上的聚合物网络相互缠结、互穿而不失去原聚合物固有的特性，从而获得其它聚合物无法比拟的独特性能。由于其具有强迫互容性，因而能使不完全互容的聚合物可被人为的从动力学角度控制相分离程度，从而产生特殊的“协同效应”，致使其机械、热学和阻尼等性质在特定组成下出现极值。因此，使材料兼备两种聚合物的优异性能。IPN结构可改变天然高分子易脆、不耐水等缺点，从而为天然高分子的改性提供新途径。
[0004]水凝胶是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水。由不同种类的蛋白质制备成互穿聚合物网络水凝胶可有效提高合成高分子材料的血液相容性和生物活性，因而在生物医用领域的用途被受到关注。CN102977534A公开了一种海藻酸钠与聚双丙酮丙烯酰胺互穿网络凝胶的制备，并用于药物载体，克服了海藻酸钠对疏水性药物负载量不高的缺点。CN103113700，CN104004231，CN1757662A，CN102382267A 公开的具有互穿网络结构的水凝胶材料具有优异的力学强度、抗菌和保湿性能、生物相容性。
[0005]羽毛角蛋白作为一种资源丰富且价格低廉的天然高分子材料，具有良好的生物相容性、可降解性和疏水性，以及胱氨酸含量较多而具有理化特性，但其易被蛋白酶分解且机械性能较差。因此，可通过改性来拓宽羽毛角蛋白的应用领域。目前对羽毛角蛋白的改性主要是通过加入其它高分子材料以改变其结构，从而有效地改善其力学性能和生物相容性。
[0006]甲基丙烯酸-羟乙酯(HEMA)中含有亲水性基团(-0H)和疏水性基团(_CH3)，是一种应用广泛的功能性单体。聚甲基丙烯酸-P-羟乙酯(PHEMA)作为一种传统的生物基础材料，具有良好的生物相容性，被广泛应用于补齿、药物缓释、烧伤涂覆、器官移植、接触镜制造、细胞培养及生物分子与酶固定化等方面。因此，以生物相容的天然高分子羽毛角蛋白与功能性单体甲基丙烯酸-P-羟乙酯为原料，通过控制聚合方式、工艺和产品的形式，得到具有互穿网络结构的高分子复合材料，兼备两种聚合物的优异性能，有望而成为一种新型的高分子生物材料。
【发明内容】
[0007]本发明目的是利用角蛋白和甲基丙烯酸-P-羟乙酯的性质，提供一种具有互穿网络结构的角蛋白/甲基丙烯酸-P-羟乙酯复合水凝胶的制备方法；
本发明另一目的是提供该互穿网络结构的角蛋白/甲基丙烯酸-P-羟乙酯复合水凝胶的应用一一作为药物载体应用在药物控制释放中。
[0008]—、具有互穿网络角蛋白复合水凝胶的制备
本发明具有互穿网络结构角蛋白复合水凝胶的制备，是以天然高分子角蛋白与功能性单体甲基丙烯酸-0-羟乙酯为原料，在交联剂、引发剂作用下进行自交联聚合而得。具体制备工艺如下:
在惰性气体保护下，将0.1?3.0 g羽毛角蛋白分散于5?30 mL的尿素溶液或稀碱溶液中，升温至50?85°C，搅拌使角蛋白完全溶解；加入还原剂10?100 mg，搅拌10?50 min ;加入I?5 mL甲基丙稀酸-轻乙酯，搅拌反应I?5 h ;加入50?200 mg交联剂I混合均勾；加入10?150 mg引发剂，搅拌20?50 min ;再加入0.1?1.0 mL交联剂II，继续搅拌反应5?30 min ;然后将反应液于40?100°C下静置3?8 h ;用乙醇、水浸泡、洗涤，干燥，即得到角蛋白/甲基丙烯酸-P-羟乙酯复合水凝胶。
[0009]上述羽毛角蛋白为从废弃家禽羽毛中提取的羽毛角蛋白，具体制备工艺及性能见专利 ZL200810150653.2。
[0010]所述尿素溶液或稀碱溶液的浓度为0.8?8 mol/Lo
[0011]所述还原剂为二硫苏糖醇或巯基乙醇。
[0012]所述交联剂I为亚甲基双丙烯酰胺，交联剂II为戊二醛。
[0013]所述引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾。
[0014]惰性气体为氮气、氩气或二氧化碳气体。
[0015]所述干燥方法为冷冻干燥。
[0016]二、角蛋白/甲基丙烯酸-P-羟乙酯复合水凝胶的结构表征 1、宏观形貌
图1为本发明制备的角蛋白/甲基丙烯酸-0-羟乙酯复合水凝胶的宏观形貌。由图1可见，角蛋白复合水凝胶为具有互穿网络结构的多孔状固体材料。
[0017]2、红外图谱
图2为本发明制备的具有互穿网络结构角蛋白复合水凝胶的红外吸收光谱图。图2中，在1650 cm \ 1528 cm \ 1232 cm 1附近出现了蛋白的特征吸收峰(酰胺1、I1、III带)，在1700 cm1附近出现了聚甲基丙烯酸-々-羟乙酯中C=O的伸缩振动吸收峰，说明聚甲基丙烯酸-P-羟乙酯与角蛋白有效复合。
[0018]3、热重分析
图3为本发明制备的具有互穿网络结构角蛋白复合水凝胶的热重曲线。图3的结果显示，角蛋白复合水凝胶的失重区间为300°C?430°C，与原料羽毛角蛋白、聚甲基丙烯酸-P-羟乙酯相比，说明合成高分子聚甲基丙烯酸-P-羟乙酯的存在，大幅度提高了互穿聚合物网络凝胶的热稳定性。
[0019]4、扫描电镜
图4为本发明制备的角蛋白复合水凝胶的扫描电镜图。通过扫描电镜可看出，聚合物中大分子在三维空间以不同方式镶嵌，相互贯穿形成交织的网络结构，并且网状结构上还有多层大小不均一的孔状结构。说明角蛋白与聚甲基丙烯酸-P-羟乙酯形成的互穿网络复合水凝胶可很好的将药物负载在网络结构孔中，并有利于不同分子量药物的负载，具有良好的载药性能。
[0020]三、角蛋白复合水凝胶的性能测试 1、溶胀行为
为了评价具有互穿网络结构角蛋白复合水凝胶作为生物材料的适用性，测试了体温(37°C)条件下，角蛋白复合水凝胶在不同模拟液中的溶胀率(图5)。图5结果表明:角蛋白复合水凝胶在水、义葡萄糖溶液及生理盐水中的溶胀率比聚甲基丙烯酸-P-羟乙酯均聚物高，说明羽毛角蛋白的加入提高了水凝胶的溶胀性能。
[0021]另外，测试了体温(37°C)条件下角蛋白复合水凝胶在水中的再次溶胀行为。结果如图6所示:第一次吸水并干燥后的水凝胶持水率为86.2%，表明角蛋白复合水凝胶可在水中再次溶胀。
[0022]2、温度、pH敏感性
测试了复合水凝胶在不温度下在水溶液中的溶胀率(图7)。图7结果表明，温度对复合水凝胶溶胀率的影响不明显。实验中又测试了复合水凝胶在不同PH值溶液中的溶胀率，结果如图8所示:在酸性环境中复合水凝胶溶胀率较小；随？11升高，其溶胀率逐渐提高；当pH=7.4时，其溶胀率达到最大值；当pH > 7.4，溶胀率反而降低，说明该复合水凝胶具有pH敏感性。
[0023]3、体外药物释放性能
以复合水凝胶为药物载体，选用小分子抗癌药物(盐酸阿霉素)，考察了其体外药物释放性能。在人体温度(37°C)下，考察了不同pH值时复合水凝胶的释放性能:即胃液CpH=L 2)、肠液(pH=8.4)、血液(ρΗ=7.4)，结果如图9所示。可见在pH= 1.2时释放速度较慢，16 h时释放率为71.9% ;在弱碱性条件下(pH=8.4)，16 h时释放率为9