一种可溶性生物分子玻璃及其应用

本发明涉及一种可溶性生物分子玻璃、制备方法及其应用，属于材料及其制备方法。本发明公开一类基于氨基酸、肽的可溶性生物分子玻璃，以及一种通过生物分子溶液溶剂蒸发制备玻璃的方法。此类可溶性生物分子玻璃能够被加工为植入式或非植入式医疗材料和/或器件、填充及支架材料、电子传感材料和/或器件、瞬态电子材料和/或器件，应用于医疗保健、健康监测、安全加密、信息传递及存储领域。

背景技术：

1、玻璃是一种无定形固体，具有透明、硬度高、耐腐蚀等特点，应用广泛，如：1)玻璃作为一种重要的建筑材料，广泛用于建筑立面、屋顶、隔断、门窗、楼梯扶手、天窗等；2)玻璃具有优良的电气性能，被广泛应用于电子器件中，例如显示屏、触摸屏、光纤传输芯片等。玻璃具有特殊的物理、化学和机械性能，随着科技的不断进步和创新，玻璃的应用领域仍在不断扩展。

2、玻璃的化学性质非常稳定，玻璃制品无法被自然界降解，能够在自然环境中长期存在，对生态环境造成了严重的负担。生物分子，特别是氨基酸和肽分子具有良好的生物相容性及生物可降解性。目前，研究人员已经利用生物分子实现了可生物降解玻璃的制备。

3、目前已公开了基于传统熔融-淬火法制备生物分子玻璃，例如，已公开一种基于氨基酸、肽及衍生物的可生物降解玻璃(cn 113754556 b)；已公开环肽玻璃及含有环肽的药物组合物玻璃(cn114014908a)。然而，鉴于传统熔融-淬火法制备氨基酸/肽玻璃存在较大局限性。首先，氨基酸/肽分子熔点较高，在高温熔融前易发生热分解；其次，高温熔融及低温淬火工艺复杂，不绿色、不环保；再者，氨基酸/肽分子在高温条件下易发生氧化，影响玻璃的透光性及透明度；而且，升温导致氨基酸/肽分子结构或构象发生改变，同时严重降低氨基酸/肽的生物活性。因此，熔融-淬火法制备生物分子玻璃是受限的。

4、目前尚未公开除“熔融-淬火”方法之外的氨基酸/肽玻璃的制备方法。出人意料的，本发明发现通过添加调节剂，以及后续的挥发溶剂，氨基酸/肽分子能够在水相溶液中形成玻璃。此类氨基酸/肽生物分子玻璃可水溶、可被生物体或自然界降解，且降解产物完全绿色、环保。相对比于传统的熔融-淬火方法，本发现的方法更简单、温和、可控、环保。

5、本发明正是基于这一发现得以完成。基于本发明所发展的可溶性生物分子玻璃及生物分子玻璃材料和/或器件，有望用于制备植入式或非植入式医疗材料和/或器件、填充及支架材料、电子传感材料和/或器件、瞬态电子材料和/或器件，应用于医疗保健、健康监测、安全加密、信息传递及存储等领域。

技术实现思路

1、本发明的首要目的是在于提供可溶性生物分子玻璃以及其制备方法，主要原料为天然氨基酸或肽或氨基酸衍生物或肽衍生物或上述二者及以上的混合物、调节剂及水溶剂。区别于已公开的“熔融-淬火”制备氨基酸/肽玻璃的方法(cn 113754556b，cn114014908a)，本发明公开了一种将生物分子水溶液升温和/或加压，实现溶剂挥发制备玻璃的方法。

2、本发明的可溶性生物分子玻璃具有优异的生物相容性、高透光率、良好的机械强度及灵活的可加工性。经此方法制备得到的可溶性玻璃，能够被加工为植入式或非植入式医疗材料和/或器件、填充及支架材料、电子传感材料和/或器件、瞬态电子材料和/或器件，可被生物体或生态环境降解，且降解产物完全绿色、环保。

3、本发明的可溶性生物分子玻璃及其制备方法，其应用可拓展至医疗保健、健康监测、安全加密、信息传递及存储等领域。

4、第一方面，一种生物分子玻璃，其特征在于，所述生物分子玻璃由生物分子原料的溶液通过挥发溶剂得到，所述生物分子原料的溶液包括生物分子原料、调节剂和溶剂；所述生物分子原料包括天然氨基酸或肽或氨基酸衍生物或肽衍生物或上述二者及以上的混合物。

5、第二方面，上述可溶性生物分子玻璃，其特征在于，生物分子原料为天然氨基酸或肽或氨基酸衍生物或肽衍生物或上述二者及以上的混合物：

6、具体的，

7、为形如式(1)的天然氨基酸分子，或氨基酸的衍生物，或其药学上可接受的盐，上述任意一种或两种及以上的混合物；

8、

9、所述的氨基酸包括：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸(蛋氨酸)、脯氨酸、色氨酸、丝氨酸、酪氨酸、半胱氨酸、苯丙氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、苏氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸、硒半胱氨酸和吡咯赖氨酸；

10、或，为由式(1)通过肽键缩合形成的肽分子，或肽的衍生物，或其药学上可接受的盐，上述任意一种或两种及以上的混合物；

11、所述的肽为由n个上述氨基酸通过肽键缩合形成的分子，其中n≥2，优选地，2≤n≤10；

12、上述氨基酸或肽的衍生物，保护基团包括但不限于：trt、boc、fmoc、cbz/z、allyl、c2-c18酰基、苯酰基、萘酰基、ofm、otbu、obzl、oall、ome、oet。

13、第三方面，上述可溶性生物分子玻璃，其特征在于，调节剂选自核苷酸、核苷酸多聚物、rna、dna和/或其它调节剂，或上述二者及以上的混合物；

14、示例性地，

15、核苷酸包括但不限于腺苷-5′-单磷酸(amp)、烟酰胺单核苷酸(nmn)、鸟苷-5′-单磷酸(gmp)、尿苷-5′-单磷酸(ump)、胞苷-5′-单磷酸(cmp)和腺苷-3′-单磷酸(3-amp)；

16、其它调节剂包括但不限于d/l-酒石酸、盐酸、硫酸、磷酸、乳酸、聚乳酸、透明质酸、海藻酸、乳糖酸、枸橼酸、酒石酸、草酸、d/l-苹果酸、马来酸、土槿皮酸、阿坎酸、奎宁酸、己二酸、富马酸、己酸、庚酸、辛酸、戊酸、丁酸、丙酸和冰醋酸；

17、优选地，为盐酸、核苷酸、柠檬酸、冰醋酸、苹果酸。

18、第四方面，上述可溶性生物分子玻璃，其特征在于，溶剂是水或其盐溶液。

19、第五方面，可溶性生物分子玻璃的制备方法包括如下步骤：

20、(1)称取生物分子原料，混合并研磨均匀；

21、(2)将步骤(1)的原料粉末溶解于溶剂，得到生物分子溶液；

22、(3)向步骤(2)的生物分子溶液中添加调节剂，通过控制调节剂的量调节溶液最终ph值；如调节剂为混合溶液，需预混合均匀；

23、(4)将步骤(3)的水溶液置于容器，通过调节溶液温度，和/或加压，和/或真空，实现溶剂挥发，制备得到可溶性生物分子玻璃。

24、第六方面，上述可溶性生物分子玻璃及制备方法，其特征在于，添加调节剂后生物分子溶液的ph为1～8，优选地，ph为4～7。

25、第七方面，上述可溶性生物分子玻璃及制备方法，其特征在于，溶剂挥发可通过气流、喷雾、流化床、旋转闪蒸、红外、微波、冷冻/真空冷冻方式。

26、第八方面，上述可溶性生物分子玻璃及制备方法，其特征在于，溶剂挥发时间为20min～7h，优选地，为40min～4h。

27、第九方面，上述可溶性生物分子玻璃及制备方法，其特征在于，生物分子原料在玻璃中的质量百分比为50～99.5wt％，优选地，为85～99wt％；调节剂在玻璃中的质量百分比为0～50wt％，优选地，为0～15wt％，进一步优选为大于0wt％；溶剂在玻璃中的质量百分比为0.05-5wt％，优选为0.1-2wt％。

28、第十方面，上述可溶性生物分子玻璃及制备方法，其特征在于，生物分子与调节剂和/或溶剂之间存在强氢键作用，生物分子玻璃内富含氢键网络。

29、第十一方面，上述可溶性生物分子玻璃，其特征在于，是呈玻璃态的无定形体，即非晶态固体，表现为各向同性、无固定熔点、可逆性。

30、第十二方面，上述可溶性生物分子玻璃，其特征在于，存在玻璃化转变温度(tg)，tg在0～200℃内可调：

31、优选地，可溶性生物分子玻璃tg为20℃<tg<200℃。

32、再优选地，可溶性生物分子玻璃tg范围为20℃<tg<160℃。

33、第十三方面，上述可溶性生物分子玻璃，其特征在于，具有较好的玻璃形成能力(gfa)，即tg(玻璃化转变温度)/tm(熔点温度)比值分布在0.55～0.75之间，优选地，为0.66～0.75。

34、第十四方面，上述可溶性生物分子玻璃，其特征在于，可溶性生物分子玻璃性能指标如下：

35、其在厚度为1mm，500nm波长下，

36、透光率为40～99％，优选地，为80～99％；

37、硬度大于20mpa，优选地，为硬度大于50mpa。

38、第十五方面，上述可溶性生物分子玻璃，其特征在于，可被加工为植入式或非植入式医疗材料和/或器件、填充及支架材料、电子传感材料和/或器件、瞬态电子材料和/或器件，加工方法可为旋涂、浇筑、静电纺丝、3d打印。

39、第十六方面，上述可溶性生物分子玻璃及生物分子玻璃材料和/或器件，其特征在于，能够被生物体或生态环境降解；优选地，能在室温和/或人体温度下、堆肥环境中降解；再优选地，能在水溶液、血液、组织液、体液环境中实现瞬态溶解。

40、第十七方面，上述可溶性生物分子玻璃及生物分子玻璃材料和/或器件，其特征在于，溶解时间可根据玻璃原料、尺寸、构造可控调节，范围为0.5分钟～3.5月；可根据对玻璃原料、尺寸、构造可控调节，实现溶解速率的可调和/或可控。

41、第十八方面，上述可溶性生物分子玻璃及生物分子玻璃材料和/或器件，其特征在于，可实现完全降解，和/或瞬态溶解。

42、第十九方面，上述可溶性生物分子玻璃及生物分子玻璃材料和/或器件，其特征在于，可被应用于医疗保健、健康监测、安全加密、信息传递及存储等领域：

43、优选地，可用于可溶性玻璃微针加工制备，作为刺破皮肤和/或粘膜、血眼屏障、血脑屏障等，用于药学用途；

44、和/或用于可溶性超级电容器、芯片、玻璃电极、瞬态电路/存储器等，用于药学或传感或电子用途；

45、和/或用于可溶性支架，优选为骨支架、和/或心脏支架、和/或血管支架等，用于药学或医学用途。