CN105879101B - 一种羽毛角蛋白基生物高分子外敷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种羽毛角蛋白基生物高分子外敷材料的制备，是将羽毛角蛋白溶于分散液中，形成羽毛角蛋白溶液；将明胶溶于蒸馏水后加入到上述羽毛角蛋白溶液中，室温搅拌下混合均匀；加入缩合剂，搅拌后，再加入缩合助剂，并调节体系pH值至5~7，继续搅拌；然后加入增塑剂，搅拌反应一定时间；反应结束后，在避光条件下用蒸馏水透析18~36 h，冷冻干燥即得。该高分子生物外敷材料为海绵状固体材料，内部具有微孔的片状结构；具有较好的柔韧性、吸收性、保水性和水蒸气透过性。抗菌性能和体外释放研究表明，该材料具有较好的抑菌性能，且对小分子模型药物具有快速释放效果，有望作为一种针对急性伤口快速杀菌消炎外敷材料在生物医药领域得到应用。

Description

一种羽毛角蛋白基生物高分子外敷材料及其制备方法

技术领域

本发明属于生物技术领域，涉及一种羽毛角蛋白基生物高分子外敷材料的制备方法，主要作为药物载体用于急性伤口快速杀菌消炎和外敷材料。

背景技术

我国的羽毛角蛋白资源极其丰富，大规模的家禽养殖发展产生了大量的羽毛废弃物，这当中，只有一少部分被利用，绝大部分羽毛废弃物只是采用垃圾填埋或焚烧的方式处理。这不仅造成了羽毛角蛋白资源的浪费，还会导致局部环境污染，也不符合可持续发展和循环经济的理念。

角蛋白是一种硬蛋白，含有较多的胱氨酸，故其蛋白链中的二硫桥（-S-S-）含量多，因此角蛋白化学性质稳定，有较高的机械强度。目前，通过改性、复合等方法，可将角蛋白作为生物医用材料使用。如：将人发角蛋白与可生物降解的聚合物复合纺丝并通过负载纳米银颗粒，可制备生物相容性好、快速止血，具备抗菌性能的伤口敷料（中国发明专利CN104784744 A）。通过化学改性，制备的角蛋白材料能应用于止血材料、水凝胶、创伤敷料和组织工程支架材料（中国发明专利CN 102120753 A）。长期的研究发现，角蛋白通过原位聚合，可以制备用于药物载体的角蛋白基高分子水凝胶材料（中国发明专利CN201310449267、CN 201310452852、CN 105218835A、CN 105175756A）。

明胶是胶原蛋白在碱、酸、酶等作用下发生化学变化或在光、热、紫外线等物理条件作用下的变性产物，与胶原蛋白一样由氨基酸组成，但是已经失去了生物活性，三螺旋结构也已经部分瓦解。明胶在生物体内不会引起炎症和排斥反应，具有良好的透水透气性，良好的生物相容性，可活化巨噬细胞，在体内可完全被吸收，对人体无毒，且容易成型。作为一种生物蛋白，明胶还可以促进生长因子的释放，刺激细胞增殖，有利于保持细胞的活性。因此，明胶被看作为具有很大潜力的环境友好生物材料。然而，通过近年的生物和临床应用发现，明胶作为生物材料有许多不足，如力学强度不高，生物降解速率较快，不易控制，热稳定性不够，容易变性等，严重制约了明胶材料的实际应用。因此，如果将羽毛角蛋白与明胶进行接枝，可改善材料的力学性能、耐水性、成形性和生物相容性，因而拓展了角蛋白及材料的应用。

发明内容

本发明目的是提供一种羽毛角蛋白基生物高分子外敷材料的制备方法。

本发明另一目的是提供上述羽毛角蛋白基生物高分子外敷材料作为药物载体在药物控制释放中的应用。

一、羽毛角蛋白基生物高分子外敷材料的制备

将羽毛角蛋白按1:4~1:20 g/mL的固液比溶于分散液中，形成羽毛角蛋白溶液；将明胶按1:4~1:30 g/mL的固液比溶于蒸馏水后加入到上述羽毛角蛋白溶液中，室温搅拌下混合均匀；加入缩合剂，搅拌0.5 ~5 h后，再加入缩合助剂，并调节体系pH值至5~7，继续搅拌1~5 h；然后加入增塑剂，搅拌0.5~2 h；反应结束后，在避光条件下用蒸馏水透析18~36h，冷冻干燥，得到羽毛角蛋白接枝明胶的羽毛角蛋白基生物外敷材料。

原料羽毛角蛋白为从废弃家禽羽毛中提取的羽毛角蛋白，其提取工艺见CN200810150653.2, CN 201010161425.2。羽毛角蛋白与明胶的质量比为1:1~1:6。

分散液为浓度为0.8~8 mol/L尿素溶液或稀碱溶液，如氢氧化钠、氢氧化钾溶液等。

缩合剂采用1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐；缩合剂的加入量为羽毛角蛋白质量的0.1~1倍。

缩合助剂采用N-羟基琥珀酰亚胺，其加入量为羽毛角蛋白质量的0.1~1倍。

增塑剂为甘油、乙二醇、山梨糖醇、麦芽糖醇中的至少一种；其加入量为羽毛角蛋白质量的0.3~2倍。

二、羽毛角蛋白基生物高分子外敷材料的结构

下面通过红外光谱、热分析、扫描电镜等现代仪器手段对其结构与微结构进行表征与分析。

1、宏观形貌

本发明制备的羽毛角蛋白基生物外敷材料为海绵状固体材料，且具有较好的柔韧性。在不同状态下的照片见图1。

2、红外谱图

图2为本发明羽毛角蛋白基生物外敷材料的红外谱图。在1636-1640 cm^-1、1542-1544 cm^-1、1240 cm^-1附近出现了两种蛋白酰胺I、II、III带的特征吸收峰，且较峰强度增强。在1330 cm^-1处出现明胶中羟基的弯曲振动峰，而羽毛角蛋白在此处并没有吸收峰，这说明羽毛角蛋白与明胶接枝成功。

3、热重分析

采用热重分析（TG）（N₂保护，升温范围：25℃~800℃，升温速度：10℃/min）测试其热稳定性（图3）。结果表明，羽毛角蛋白基生物外敷材料的主要失重区间为220℃~380℃、380℃~700℃，与原料羽毛角蛋白、明胶相比，热稳定性大幅度提高。

4、扫描电镜图

图4为本发明羽毛角蛋白基生物外敷材料的扫描电镜图。由图4可以看出，羽毛角蛋白基生物外敷材料的内部有多级片层，且具有大小适中的孔洞结构，孔径为30~100 μm，这有利于水分子和空气的透过，可为创面创造适宜的湿润环境，同时也有利于药物的负载和释放，使外敷材料具有良好的药物释放性能。

三、羽毛角蛋白基生物高分子外敷材料性能

下面考察羽毛角蛋白基生物外敷材料的吸水性能、吸盐溶液性能、保水性能、水蒸气透过性、抗菌性和体外药物释放行为。

1、吸水及吸盐溶液性能

为评价羽毛角蛋白基生物外敷材料作为生物医用外敷材料的适合性，测试了室温（25℃）状态下，海绵敷料的吸水性能（图5）和吸盐溶液性能（图6）。结果表明：羽毛角蛋白基生物外敷材料对水的吸收量达到37%，其溶胀率可达到440%。在盐溶液中的溶胀率达到475%，吸盐溶液量达到40%以上。这表明羽毛角蛋白基生物外敷材料无论是在水溶液还是盐溶液中均具有很好的吸收能力，完全可以满足其在医用外敷材料中的应用。

2、保水性能

为了评价羽毛角蛋白基生物外敷材料作为生物医用外敷材料的湿润性，测试了其在室温（25℃）状态下的保水性能和水蒸气透过率。图7为羽毛角蛋白基生物外敷材料的保水性能测试结果，发现其保水率达到440%，表明羽毛角蛋白接枝明胶海绵敷料能为伤口愈合创造一定的湿润环境，促进伤口的快速愈合。图8为羽毛角蛋白基生物外敷材料的水蒸气透过率测试结果，发现羽毛角蛋白基生物外敷材料的水蒸气透过量为153 g·m^-2·h^-1，接近于空白组（202.4 g·m^-2·h^-1）的水蒸气透过量。表明该外敷材料能在一定程度上保持水分和空气通透，消除创面异味，避免伤口积液，促进愈合。

3、抗菌性能

作为药物载体，考察了羽毛角蛋白基生物外敷材料的抗菌性能。选用广谱抗菌药物（苯扎氯铵），采用马铃薯葡萄糖琼脂培养基进行抗菌活性测试。培养皿中，分三个区域，以滤纸作为基底，在滤纸上分别涂覆马铃薯培养基（A）、马铃薯培养基与加未加苯扎氯铵溶液的海绵敷料（B），第三个区域是马铃薯培养基与加入苯扎氯铵溶液的海绵敷料（C）。将培养基置于培养箱后，观察三个区域内的情况并拍照。实验结果表明，培养72 h后，空白组（A）开始出现少许黑色霉菌斑；对照组（B）样品表面没有出现较多黑色霉菌斑；样品组（C）也并没有出现黑色的霉菌斑。培养120 h后，空白组（A）表面出现少量霉菌斑；对照组（B）的样品周边区域出现霉菌斑；样品组（C）在培养基边缘处出现少量霉菌斑，样品周边霉菌斑较少。培养168 h后，空白组（A）团聚状黑色霉菌斑，并有黄色菌斑出现；对照组（B）在样品周边出现少量团聚状霉菌斑；样品组（C）出现较少的霉菌斑。培养240h后，空白组（A）出现黑色霉菌群落和白色霉菌点；对照组（B）霉菌斑进一步增多；样品组（C）培养基上出现黄色和白色霉菌斑，在样品附近出现明显的抗菌环（图9）。表明羽毛角蛋白基生物外敷材料负载抗菌剂后，其具有较强的抑菌性能。

4、体外释放行为

在体表温度（37℃），模拟血液pH=7.4的条件下，通过负载小分子模型药物（罗丹明B）考察了羽毛角蛋白基生物外敷材料的体外药物释放行为，结果如图10所示：在最初的2h，罗丹明B从羽毛角蛋白基生物外敷材料中突释，其累积释放率为70%，之后释放逐渐平缓。在13 h后，其累积释放率达到86%。因此，利用该外敷材料的片层微孔结构，可实现药物分子的局部快速释放，达到快速高效杀菌消炎的作用。

综上所述，本发明以生物相容的天然高分子角蛋白、明胶为原料制备的羽毛角蛋白基生物外敷材料为海绵状固体材料，其内部为具有微孔的片状结构。具有较好的柔韧性、吸收性、保水性和水蒸气透过性，能在一定程度上保持水分和空气通透，消除创面异味，避免伤口积液，促进愈合。抗菌性能和体外释放研究表明，其具有较好的抑菌性能，且对小分子模型药物具有快速释放效果，有望在生物医药领域作为一种针对急性伤口快速杀菌消炎的外敷材料。

附图说明

图1为羽毛角蛋白基生物高分子外敷材料的宏观形貌。

图2为羽毛角蛋白基生物高分子外敷材料的红外谱图。

图3为羽毛角蛋白基生物高分子外敷材料的热重图。

图4为羽毛角蛋白基生物高分子外敷材料的扫描电镜图。

图5为羽毛角蛋白基生物高分子外敷材料的吸水性能（25℃）。

图6为羽毛角蛋白基生物高分子外敷材料的吸盐溶液性能（25℃）。

图7为羽毛角蛋白基生物高分子外敷材料的保水性能（25℃）。

图8为羽毛角蛋白基生物高分子外敷材料的水蒸气透过性能（37℃）。

图9为羽毛角蛋白基生物高分子外敷材料的抗菌性能。

图10为羽毛角蛋白基生物高分子外敷材料的体外释放行为（25℃，pH=7.4）。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明生物高分子外敷材料的制备等做进一步说明。

实施例1

取5 g羽毛角蛋白溶于80 mL的2 mol/L氢氧化钠溶液中，得到羽毛角蛋白溶液；取10 g 明胶溶于50 mL蒸馏水中，然后加入到羽毛角蛋白溶液，室温搅拌下混合均匀；再加入0.8 g 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐作为缩合剂，搅拌1 h后，再加入0.5 gN-羟基琥珀酰亚胺作为缩合助剂，调节体系pH值至5，搅拌2 h，然后加入1.5 g山梨糖醇作为增塑剂，继续搅拌1 h，反应结束后，在避光条件下，用蒸馏水透析24 h后，真空冷冻干燥，得到羽毛角蛋白接枝明胶外敷材料。

外敷材料对水的吸收量达到37%，其溶胀率达到440%。在盐溶液中的溶胀率达到475%，吸收盐溶液量达到40%以上。保水率达到440%；水蒸气透过量为153 g·m^-2·h^-1。

实施例2

取1 g羽毛角蛋白溶于20 mL的0.8 mol/L尿素溶液中，得到羽毛角蛋白溶液；取4g明胶溶于40 mL蒸馏水中，然后加入到羽毛角蛋白溶液，室温搅拌下混合均匀；再加入0.2g 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐作为缩合剂，搅拌1 h后，再加入0.1 g N-羟基琥珀酰亚胺作为缩合助剂，调节体系pH值至6，搅拌1.5 h，然后加入0.5 g甘油作为增塑剂，继续搅拌1 h，反应结束后，在避光条件下，用蒸馏水透析20 h后，真空冷冻干燥，得到羽毛角蛋白接枝明胶外敷材料。

外敷材料的外观形貌及各项性能类似于实施例1。

实施例3

将10 g羽毛角蛋白溶于100 mL的8 mol/L氢氧化钾溶液中，得到羽毛角蛋白溶液，待用。将50 g明胶溶于200mL蒸馏水中，加入羽毛角蛋白溶液，室温搅拌下混合均匀，再加入2 g 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐作为缩合剂，搅拌2.5 h后，加入1 g N-羟基琥珀酰亚胺作为缩合助剂，调节体系pH值至7，搅拌3 h，然后加入5 g麦芽糖醇作为增塑剂，继续搅拌1 h，反应结束后，在避光条件下，用蒸馏水透析24 h后，进行干燥，得到羽毛角蛋白接枝明胶外敷材料。

外敷材料的外观形貌及各项性能类似于实施例1。

Claims (5)

1.一种羽毛角蛋白基生物高分子外敷材料的制备方法，是将羽毛角蛋白按1:4~1:20g/mL的固液比溶于分散液中，形成羽毛角蛋白溶液；将明胶按1:4~1:30 g/mL的固液比溶于蒸馏水后加入到上述羽毛角蛋白溶液中，室温下搅拌混合均匀；加入缩合剂，搅拌0.5 ~5 h后，再加入缩合助剂，并调节体系pH值至5~7，继续搅拌1~5 h；然后加入增塑剂，搅拌0.5~2h；反应结束后，在避光条件下，用蒸馏水透析18~36 h，冷冻干燥，得到羽毛角蛋白接枝明胶的羽毛角蛋白基生物外敷材料；

羽毛角蛋白与明胶的质量比为1:1~1:6；

缩合剂采用1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐；缩合助剂采用N-羟基琥珀酰亚胺；增塑剂为甘油、乙二醇、山梨糖醇、麦芽糖醇中的至少一种。

2.如权利要求1所述羽毛角蛋白基生物高分子外敷材料的制备方法，其特征在于：缩合剂的加入量为羽毛角蛋白质量的0.1~1倍。

3.如权利要求1所述羽毛角蛋白基生物高分子外敷材料的制备方法，其特征在于：分散液为浓度为0.8~8 mol/L尿素溶液或碱溶液。

4.如权利要求1所述羽毛角蛋白基生物高分子外敷材料的制备方法，其特征在于：缩合助剂N-羟基琥珀酰亚胺的加入量为羽毛角蛋白质量的0.1~1倍。

5.如权利要求1所述羽毛角蛋白基生物高分子外敷材料的制备方法，其特征在于：增塑剂的加入量为羽毛角蛋白质量的0.3~2倍。