一种可德胶/Resilin-R5复合水凝胶及其制备方法和应用与流程

一种可德胶/resilin-r5复合水凝胶及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明涉及一种可德胶/resilin-r5复合水凝胶及其制备方法和应用，属于复合材料技术领域。


背景技术：

2.可德胶(curdlan)最初是由harada等于1966年从土壤中分离出的细菌 (alcaligenes faecalis var.myxogenes 10c3)发酵得到。根据研究报道，到目前为止，也只有alcaligenes和agrobacterium两个菌种能够产可德胶多糖。可德胶是由β-(1,3)糖苷键连接而成的d-葡聚糖，是β-(1-3)-d-葡聚糖家族中最具特色的一种，中性、没有分支、重复单位简单，可以被人体细胞降解吸收。可德胶的商业化生产历史不长，1989年始于日本武田公司。1996年可德胶获美国食品和药物管理局(fda)认证，可在食品中用作添加剂。可德胶凝胶特性独特，低温55℃是热可逆低强度凝胶，在80℃以上时形成的是热不可逆高强度凝胶。
3.resilin-r5融合蛋白是利用基因工程的技术手段，将天然超弹蛋白resilin 与硅沉积肽r5线性链接而成的人工融合蛋白。国内华中农业大学毛争争的硕士论文“resilin-r5融合蛋白表达纯化及其材料性能研究”中，将resilin-r5融合蛋白与自然界中天然存在的唯一带正电的多糖壳聚糖进行共混复合，制备了 resilin-r5/壳聚糖共混复合膜材料。该共混膜材料当resilin-r5含量为33％时，吸水率最大才达到265％；当resilin-r5含量为13％时，其平均最大拉伸强度达最大为32.1mpa。


技术实现要素：

4.基于上述，本发明提供一种能够极大改善可德胶性能的可德胶/resilin-r5 复合水凝胶及其制备方法和应用。
5.本发明的技术方案是：
6.第一方面，本发明提供一种可德胶/resilin-r5复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
7.1)、将可德胶溶液缓慢滴加到resilin-r5溶液中，搅拌，得到复合溶胶；
8.2)、将复合溶胶在光照射下进行第一阶段交联，得到复合溶胶-凝胶体系，再放置在恒温水浴中进行第二阶段交联，得到可德胶/resilin-r5复合水凝胶；
9.3)、将可德胶/resilin-r5复合水凝胶放入到硅酸甲酯的稀盐酸溶液中浸泡 16-40min，再用蒸馏水反复冲洗复合膜，获得表面硅沉积后的复合水凝胶材料。
10.可选的，所述可德胶溶液为可德胶水分散液或可德胶碱溶液。可选的，所述可德胶水分散液由可德胶分散在水中制成，并且可德胶的质量浓度为1.98％～ 4.74％。在可德胶分散到水溶液的过程持续搅拌，搅拌速度为600～800rpm。
11.可选的，所述可德胶碱溶液由可德胶溶解在碱溶液中制成，并且可德胶的质量浓度为1.98％～4.74％，可德胶与碱溶液质量比为1:49～1:20，所述碱溶液为氨水、氢氧化钠
水溶液、磷酸三钠水溶液或磷酸三钙水溶液，碱溶液的物质量的浓度为0.0001mol/l～0.1mol/l。在可德胶分散到碱溶液的过程持续搅拌，搅拌速度为600～800rpm。
12.可选的，所述resilin-r5溶液由resilin-r5溶于蒸馏水中配制而成，并且所述resilin-r5的水溶液质量浓度为5mg/ml～20mg/ml。在滴加可德胶溶液时需要逐步滴加，1～5min内滴加完毕；且持续搅拌，且搅拌速度为200～500rpm。
13.可选的，所述第一阶段交联的光照射采用500w卤钨灯照射时间6-10min，所述第二阶段交联的恒温水浴的温度为70℃～85℃，时间为0.5h～2h。
14.可选的，所述可德胶/resilin-r5复合水凝胶中可德胶的质量分数为1％～ 2.5％，resilin-r5的质量分数为0.247％～0.947％。
15.可选的，所述硅酸甲酯的稀盐酸溶液由硅酸甲酯溶解于1
×
10-3-5
×
10-3
mol/l 的hcl溶液中得到1-2mol/l的硅酸甲酯溶液。
16.第二方面，本发明提供一种由所述的制备方法制备得到的可德胶/resilin-r5 复合水凝胶。该复合水凝胶中可德胶的质量分数为1％～2.5％，resilin-r5的质量分数为0.247％～0.947％。可德胶/resilin-r5复合水凝胶的平均断裂伸长率最大达到52.3％，凝胶的压缩模量平均最大达到1.5mpa，复合水凝胶保水率 3500％-7900％，复吸水率360％-582％。
17.第三方面，本发明提供一种可德胶/resilin-r5复合水凝胶作为皮肤表面创伤敷料的应用。可德胶/resilin-r5复合水凝胶具有较高的力学强度，无毒无害，可自然降解，且r5肽易于硅沉积，可以通过沉积的二氧化硅进行药物负载，作为皮肤表面创伤辅料具有良好的韧性及药物缓释的潜力。
18.第四方面，本发明提供一种所述的可德胶/resilin-r5复合水凝胶作为农作物培养基的应用。由于可德胶/resilin-r5复合水凝胶具有较好的保水效果及复吸水性能，保水率在3500％以上，复吸水率在360％以上。因此通过水凝胶可实现农药的有效负载，构建保水和农药分子负载一体化体系。该水凝胶还具有独特的硅沉积功能，能富集土壤中的硅元素，因此可以促进光合作用和抗倒伏能力，有助于农作物的生长。
19.本发明的工作原理是：本发明利用可德胶的低温可逆和高温不可逆的独特成胶特性，及其在水中能形成良好的分散体系与在碱溶液中良好溶解这三大特点，来制备水凝胶。resilin-r5是设计合成的融合蛋白，该融合蛋白内部的氨基可与可德胶分子中的羟基发生键合，一方面可以提高可德胶凝胶的力学强度，另一方面可以让resilin-r5/可德胶复合水凝胶体系实现硅沉积功能和载药功能。首先利用resilin-r5的光交联性质，完成第一阶段交联，形成类似苔藓状贴敷结构，可德胶的单螺旋结构穿插分散在其中，利用可德胶上的羟基与果蝇弹性蛋白resilin 中存在的丰富的酪氨酸侧基发生相互键合作用，形成示意图如图1所示；其次，可德胶在高温环境下进行温度响应交联，形成不可逆凝胶，此为resilin-r5/可德胶复合水凝胶的第二阶段交联过程，此阶段形成了可德胶的三螺旋结构。可德胶的三螺旋成胶过程，发生在resilin-r5光交联形成的苔藓状贴敷结构中，会产生扭转拉伸作用，相互促进靠拢，使得其与resilin-r5第一阶段的光交联结构形成相互穿插和缠结的结构。同时利用可德胶上的羟基和果蝇弹性蛋白resilin中存在的丰富的酪氨酸侧基发生相互键合作用，进一步增强分子间的作用，形成具有强相互作用的的高强度凝胶结构，形成示意图如图2所示。
20.本发明的有益效果是：
21.1.本发明将融合蛋白resilin-r5与可德胶复合，制备了一种具有硅沉积特性的高强度凝胶体系，二氧化硅在凝胶表面形成均匀沉积，如图3(图3中圆形颗粒状物即为二氧化硅沉淀)所示。
22.2.本发明利用resilin-r5光交联与可德胶热致成胶进行两次交联反应，通过可德胶的三螺旋形成产生扭转拉伸作用，与resilin-r5光交联结构形成互穿扭转结构，从而形成具有一种特殊的类似致密的苔藓状空间结构，通过互穿网络的穿插与扭转拉伸以及基团间的键合作用，形成强度较高的复合凝胶材料，且能在水凝胶中表现出良好的高弹性能，其中其平均断裂伸长率最大达到52.3％，凝胶的压缩模量平均最大达到1.5mpa。
23.3.可德胶/resilin-r5复合水凝胶，除了具有良好的力学性能以外，还可以完全被降解吸收，无毒无害，可避免拆除导致的二次伤害，在生物医用高分子领域具有极高的经济价值。可德胶/resilin-r5能相互键合形成保水和负载农药分子的一体化体系，且对硅元素有富集作用，可以促进光合作用和抗倒伏能力，有助于农作物的生长，在农业领域具有极好应用前景。
24.4.可德胶/resilin-r5复合水凝胶显示出较高的保水及复吸水性能，获得保水率在3500％以上，复吸水率在360％以上；同时该复合水凝胶还具备理想的透气性，其透气率为0.0566g/cm2*h。可德胶/resilin-r5复合水凝胶在农业种植领域具有极高的经济价值和应用潜力。
25.5.可德胶/resilin-r5复合水凝胶具有生物相容性，廉价，制备工艺简单等优点，无需添加任何助剂。
附图说明
26.图1：resilin-r5光交联结构与可德胶单螺旋键合作用示意图。
27.图2：可德胶三螺旋成胶过程对resilin-r5的光交联网状结构产生扭转拉伸作用示意图。
28.图3：为实施例3的可德胶/resilin-r5复合水凝胶表面进行硅沉积的显微镜照片(
×
400)。
具体实施方式
29.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
30.测量方法：
31.1、保水率测量方法
32.将制得凝胶移除流动性水后称重得到质量数y1g，初始投入融合蛋白与可德胶等干物质总量为y0g，y1/y0
×
100％即得保水率。
33.2、复吸水率测量方法
34.将105℃烘干至恒重的样品x1g浸泡于1000倍重量的蒸馏水中12h，取出擦掉表面
水滴后称重得到重量x2，x2/x1
×
100％即得复水率。
35.3、透气性测量方法
36.将干燥后的凝胶封盖于装有一定量蒸馏水的试管表面，试管内径横截面的面积记为s1cm2，试管装置整体初始质量数m1g。将试管置于25℃下，空气相对湿度70％的恒温恒湿箱中24h，称重记录终点质量数m2g。(m1-m3)/(s1*24) 即得透气性数据。
37.4、平均断裂伸长率测量方法
38.将凝胶裁切成拉力机常用标准哑铃型样片，测定其初始长度lo，启动拉力机，记录至凝胶断裂时的长度lk，根据公式(l
k-lo)/lo×
100％即可计算得到断裂伸长率。同一凝胶样本平行制备3个重复测样，测定断裂伸长率并计算平均值，即得该凝胶配方的平均断裂伸长率。
39.5、压缩模量测量方法
40.在直径18mm，高25mm的不锈钢指管中制备试样凝胶，凝胶高度20mm，采用万能材料机测定压缩模量，以压缩应力应变曲线前10％段斜率的平均值为压缩模量。
41.实施例1：
42.步骤一、在搅拌下将0.20g可德胶(分子量为9万)溶解在10ml物质量浓度为0.0001mol/l氢氧化钠的溶液中，得到质量分数为2.0％的可德胶氢氧化钠溶液，溶液流动性好。
43.步骤二、将0.05g resilin-r5溶于10ml蒸馏水中，配制成5mg/ml溶液，缓慢滴加进步骤一所配置的可德胶溶液中，搅拌，得到复合溶胶。
44.步骤三、对步骤二所得的复合溶胶在500w卤钨灯下照射6min，进行第一阶段交联，置于85℃恒温水浴中进行第二阶段交联，加热2h，烧杯底部形成湿态的水凝胶。经检测，所得水凝胶中可德胶的质量分数为1％，resilin-r5的质量分数为0.25％，保水率为7900％，复水率为360％，透气性为0.0566g/cm2*h，平均断裂伸长率87％，平均压缩模量7.8kpa。
45.步骤四、将两次交联后获得的可德胶/resilin-r5复合水凝胶放入配制好的硅酸甲酯的稀盐酸溶液中，hcl溶液的浓度为1
×
10-3mol/l，硅酸甲酯溶液稀盐酸的浓度为1mol/l，浸泡时间为16min，用蒸馏水反复冲洗复合膜，获得表面硅沉积后的复合水凝胶材料。
46.实施例2：
47.步骤一、在搅拌下将0.30g可德胶(分子量为34万)溶解在10ml物质量浓度为0.001mol/l氢氧化钠的溶液中，得到质量分数为2.97％的可德胶氢氧化钠溶液，溶液流动性一般。
48.步骤二、将0.10g resilin-r5溶于10ml蒸馏水中，配制成10mg/ml溶液，缓慢滴加进步骤一所配置的可德胶溶液中，搅拌，得到复合溶胶。
49.步骤三、对步骤二所得的复合溶胶在500w卤钨灯下照射6min，进行第一阶段交联，置于80℃很温水浴中，进行第二阶段交联，加热1h，烧杯底部形成湿态的水凝胶。经检测，所得水凝胶中可德胶的质量分数为1.5％，resilin-r5的质量分数为0.5％，保水率为4900％，复水率为433％，透气性为0.0453g/cm2*h，平均断裂伸长率143％，平均压缩模量10.5kpa。
50.步骤四、将两次交联后获得的可德胶/resilin-r5复合水凝胶放入配制好的硅酸甲酯的稀盐酸溶液中，hcl溶液的浓度为3
×
10-3mol/l，硅酸甲酯溶液稀盐酸的浓度为
1.5mol/l，浸泡时间为28min，用蒸馏水反复冲洗复合膜，获得表面硅沉积后的复合水凝胶材料。
51.实施例3：
52.步骤一、在搅拌下将0.4g可德胶(分子量为81万)溶解在10ml物质量浓度为0.01mol/l氢氧化钠的溶液中，得到质量分数为4.0％的可德胶氢氧化钠溶液，溶液流动性差。
53.步骤二、将0.15g resilin-r5溶于10ml蒸馏水中，配制成15mg/ml溶液，缓慢滴加进步骤一所配置的可德胶溶液中，搅拌，得到复合溶胶。
54.步骤三、对步骤二所得的复合溶胶在500w卤钨灯下照射7min，进行第一阶段交联，置于80℃恒温水浴中进行第二阶段交联，加热1h，烧杯底部形成湿态的水凝胶。经检测，所得水凝胶中可德胶的质量分数为2％，resilin-r5的质量分数为0.75％，保水率为3500％，复水率582％，透气性为0.0453g/cm2*h，平均断裂伸长率120％，平均压缩模量15.6kpa。
55.步骤四、将两次交联后获得的可德胶/resilin-r5复合水凝胶放入配制好的硅酸甲酯的稀盐酸溶液中，hcl溶液的浓度为5
×
10-3mol/l，硅酸甲酯溶液稀盐酸的浓度为2mol/l，浸泡时间为40min，用蒸馏水反复冲洗复合膜，获得表面硅沉积后的复合水凝胶材料。
56.实施例4：
57.步骤一、在搅拌下将0.27g可德胶(分子量为135万)溶解在9ml物质量浓度为0.01mol/l氢氧化钠的溶液中，得到质量分数为3.0％的可德胶氢氧化钠溶液，溶液流动性差。
58.步骤二、将0.1g resilin-r5溶于10ml蒸馏水中，配制成10mg/ml溶液，缓慢滴加进步骤一所配置的可德胶溶液中，搅拌，得到复合溶胶。
59.步骤三、对步骤二所得的复合溶胶在500w卤钨灯下照射8min，进行第一阶段交联，置于75℃恒温水浴中进行第二阶段交联，加热1h，烧杯底部形成湿态的水凝胶。经检测，所得水凝胶中可德胶的质量分数为1.42％，resilin-r5的质量分数为0.53％，保水率为5000％，复水率581％，透气性为0.034g/cm2*h，平均断裂伸长率235％，平均压缩模量12.9kpa。
60.步骤四、将两次交联后获得的可德胶/resilin-r5复合水凝胶放入配制好的硅酸甲酯的稀盐酸溶液中，hcl溶液的浓度为2.7
×
10-3mol/l，硅酸甲酯溶液稀盐酸的浓度为1.4mol/l，浸泡时间为30min，用蒸馏水反复冲洗复合膜，获得表面硅沉积后的复合水凝胶材料。
61.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。