一种胶原蛋白基复合水凝胶及其制备方法与应用

本发明属于水凝胶材料制备，具体涉及一种胶原蛋白基复合水凝胶及其制备方法与应用。

背景技术：

1、胶原蛋白是间质组织细胞外基质(ecm)的主要成分，由3条螺旋型的肽链相互缠绕而成。传统动物源提取的胶原蛋白水溶性差，并有可能出现免疫排斥反应，而重组人源胶原蛋白(hlc)因具有良好水溶性、低免疫原性、生物相容性和生物降解性而受到组织工程领域的广泛关注。但纯胶原蛋白水凝胶机械性能不佳、可塑性差，应用受到限制。可通过引入合成高分子与其交联以提升水凝胶的机械性能和抗降解能力。

2、纳米纤维素具有高结晶度、高强度及高比表面积等特性。2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(tempo)氧化体系可以只氧化纤维素分子链多糖的伯羟基，而不会影响仲羟基，有效提高纳米纤维素在聚合物基体中的分散性和界面黏附性。因此tempo氧化的纳米纤维素(tocn)能更好地分散在复合材料中，进而提高复合材料的强度和硬度。

3、木质素(lignin)是一种酚类聚合物，是植物细胞壁中仅次于纤维素的第二丰富成分。木质素具有许多优异性能，包括抗菌抗氧化性、可再生性、生物降解性、天然生物活性和生物相容性。基于木质素的多种生物学功能和细胞相容性，近年来在医学领域得到了广泛的应用。

4、伤口修复是一个复杂有序的生物过程，主要涉及止血、炎症、组织再生和重塑。水凝胶是由亲水性的天然或合成高分子交联形成的具有三维网络结构的一种材料，是理想的伤口敷料，可吸收伤口分泌物、提供透气性并保持伤口的湿润环境。胶原蛋白是细胞外基质中含量最高的蛋白质，能吸引成纤维细胞，促进伤口床形成新的胶原蛋白，在伤口愈合过程中参与重塑和组织发育，并可与各种细胞表面受体相互作用。木质素中含有大量酚羟基，可通过断开o-h键、捐献氢质子和转移电子来使高活性的有害自由基被氧化为非活性或反应性较低的氧化自由基，平衡细胞内活性氧(ros)从而实现抗氧化作用。此外，木质素还具有良好的抗菌效用，木质素与细菌接触后，其多酚结构会通过裂解作用穿透细胞壁，导致细胞膜破裂，随后ros在细菌表面积累，有效抑制微生物生长。

技术实现思路

1、发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种胶原蛋白基复合水凝胶及其制备方法与应用。

2、为了解决上述技术问题，本发明公开了一种胶原蛋白基复合水凝胶的制备方法。本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、一种胶原蛋白基复合水凝胶的制备方法，所述方法按照以下步骤进行：

4、(1)将水溶性木质素溶于水，得到木质素水溶液。

5、(2)将所述的木质素水溶液与胶原蛋白混合溶解，得到木质素-胶原蛋白水溶液。

6、(3)将所述的木质素-胶原蛋白水溶液与tocn分散液混匀，得到混合溶液。

7、(4)调节所述的混合溶液的ph。

8、(5)将步骤(4)得到的混合溶液在乙酸浴中发生交联反应，得到胶原蛋白基复合水凝胶。

9、其中，步骤(1)中，所述的水溶性木质素按如下方法制备得到：木质纤维素经水热法处理得到处理液，处理液固液分离得滤液，滤液经大孔吸附树脂吸附和解吸，解吸液经浓缩、冷冻干燥得到水溶性木质素粉末。优选地，每500ml去离子水和50g木质纤维素原料经水热法处理得到处理液。优选地，木质纤维素原料为玉米芯。优选地，所述的水热法处理温度为170℃，处理时间为40min。

10、优选地，所述的大孔吸附树脂为杜邦tmamberlitetmxadtm16n树脂，平均孔径为将树脂放入蒸馏水中浸泡12h，充分润胀，调整蠕动泵和吸附柱，用200ml无水乙醇、500ml去离子水先后过柱，活化树脂。取所述的滤液200ml上柱，装载流速为2-16bv/h，足量去离子水洗涤，洗涤流速为2-16bv/h。洗涤后利用无水乙醇解吸附，解吸附流速为1-4bv/h。将得到的溶液旋转蒸发至粘稠，去除有机溶剂，冷冻干燥得水溶性木质素粉末。所述的水溶性木质素结构中通过共价健连接低聚合度多糖，形成木质素-碳水化合物复合物。

11、其中，步骤(1)中，所述的木质素水溶液，其水溶性木质素浓度为3-12g/l；优选地，水溶性木质素浓度为6g/l。

12、其中，步骤(2)中，所述的胶原蛋白为重组人源胶原蛋白。优选地，所述的胶原蛋白为胶原蛋白粉末。相对于每100ml的木质素水溶液，所述的胶原蛋白的加入质量为12-20g。优选地，相对于每100ml的木质素水溶液，所述的胶原蛋白的加入质量为18g。

13、其中，步骤(2)中，所述的木质素水与胶原蛋白混合溶解，优选为超声溶解。所述的超声溶解优选为室温下超声溶解30min。

14、其中，步骤(3)中，所述的tempo氧化纳米纤维素(tocn)以tocn分散液的形式加入。所述的tocn分散液，其溶质浓度为1％(w/w)。优选地，所述的tocn的制备方法[参考文献isogai,a.,saito,t.,&fukuzumi,h.(2011).tempo-oxidized cellulosenanofibers.nanoscale,3(1),71–85.]，具体为：将0.016g tempo和0.1g nabr溶于94ml蒸馏水中，加入1g硬木纸浆(hbkp)，所述的硬木纸浆中纤维素的含量在40％～45％，将hbkp润胀20min，加入6ml naclo，旋转溶解。接着插入滴定仪，加入0.5m naoh和0.5m hcl使ph稳定为10，氧化4h后加入无水乙醇终止反应，使用0.5m hcl将ph调至3-4，得到棉絮状hbkp。用蒸馏水冲洗棉絮状hbkp，ph试纸测是否到达中性，测水分，将其配制成0.2％(w/w)的tocn分散液。将tocn分散液导入匀浆机匀浆，然后用高压均质机将其纳米化，最后旋蒸浓缩至浓度为1％(w/w)的tocn分散液。

15、其中，步骤(3)中，所述的tocn分散液与木质素-胶原蛋白水溶液体积比为1:1-3:1。优选地，体积比为2:1-3:1。更优选地，体积比为2:1。

16、其中，步骤(4)中，调节所述的混合溶液的ph为4或11。优选地，混合溶液ph调节为11。利用hcl溶液和naoh溶液调节混合溶液ph。优选地，所述的hcl溶液为0.02m hcl溶液；所述的naoh溶液为1m naoh溶液。

17、其中，步骤(4)中，所述的交联反应，在室温下反应12-24h。优选地，在室温下反应18h。

18、优选地，步骤(4)中，所述的乙酸浴为纯度为99.5％的乙酸溶液。

19、本发明的第二方面在于，提供一种所述的制备方法制备得到的胶原蛋白基复合水凝胶。

20、本发明的第三方面在于，所述的胶原蛋白基复合水凝胶在制备伤口愈合药物中的应用。

21、有益效果：

22、(1)本发明提出了一种胶原蛋白基复合水凝胶的制备方法，向胶原蛋白基水凝胶中引入木质素及纳米纤维素这两种可再生、可降解的植物生物质，制备得到的复合水凝胶符合绿色可持续发展理念。

23、(2)本发明体系中引入制备的水溶性木质素，结构上通过共价健与低聚合度多糖连接，形成木质素-碳水化合物复合物，其中的游离多糖链使水溶性木质素利用分子间作用力附着在纳米纤维素表面，形成类似自然界中木质纤维素天然结构。其次，木质素所具有的抗菌抑菌(对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均有抑制生长繁殖的作用)、抗氧化、消炎作用，使复合水凝胶在伤口愈合方面效用提升。

24、(3)本发明体系向胶原蛋白基水凝胶中引入氧化纳米纤维素，不仅与胶原蛋白链之间存在分子间作用力(包括但不局限静电作用力和氢键作用力)，且tocn羧基带有的负电荷与乙酸蒸汽的h+相互作用，在乙酸浴下进一步交联形成物理双网络结构，tocn的引入改善了胶原蛋白自身机械性能较差的问题。

25、(4)本发明制备的复合水凝胶的流变力学性能可控，通过增加氧化纳米纤维素的添加量可以使复合水凝胶的弹性模量大幅度提高，力学性能优异。

26、(5)本发明在制备过程中无需引入任何交联剂及有毒试剂，反应条件温和、步骤简单，完全保留了胶原蛋白天然的生物相容性，在伤口愈合、组织工程领域均有利用前景。

27、本发明提出一种胶原蛋白基复合水凝胶的制备方法，胶原蛋白、纳米纤维素、水溶性木质素原位形成复合水凝胶。其中，引入氧化纳米纤维素，其官能团与胶原蛋白链之间的分子间作用力(包括但不局限静电作用力、氢键作用力等)可以明显提高复合水凝胶的物理交联密度，从而提高其机械性能。另外又引入水溶性木质素，增强胶原蛋白基复合水凝胶的抗菌抑菌、抗氧化、消炎等的生物学功能，显著提升伤口愈合功效。其次，纳米纤维素、胶原蛋白、水溶性木质素之间的分子间作用力(包括但不局限静电作用力及氢键作用力)物理交联形成双网络结构，增强了水凝胶的力学机械性能，且此体系成分生物相容性良好，无细胞毒性。因此该水凝胶在伤口愈合、抗菌抑菌、消炎、抗氧化等方面具有优异的效果。