一种胶原蛋白复合材料及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种胶原蛋白复合材料及其制备方法和应用 (Collagen composite material and preparation method and application thereof ) 是由 吴斯倞 全丹毅 于 2021-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及生物材料技术领域,具体涉及一种胶原蛋白复合材料及其制备方法和应用。所述胶原蛋白复合材料包括高分子聚合物和分散在其中的胶原蛋白,所述高分子聚合物和所述胶原蛋白的重量比为1：(0.01-20)。本发明的胶原蛋白复合材料能够有效降低胶原蛋白的降解效率,并且具有很好的机械性能。(The invention relates to the technical field of biological materials, and particularly relates to a collagen composite material and a preparation method and application thereof. The collagen composite material comprises a high molecular polymer and collagen dispersed in the high molecular polymer, wherein the weight ratio of the high molecular polymer to the collagen is 1: (0.01-20). The collagen composite material can effectively reduce the degradation efficiency of collagen and has good mechanical property.)
技术领域
本发明涉及生物材料技术领域，具体涉及一种胶原蛋白复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
胶原蛋白是人体内含量最多的蛋白质，约占体内总蛋白质的25％-35％。因其具备优良的低免疫源性，常被用作制备组织工程支架的材料，用于受损组织的修复。然而胶原蛋白基质植入人体后存在降解速率快，无法维持结构稳定性的缺点。为此制备胶原蛋白基质时常利用化学交联剂来对胶原蛋白基质进行改性，延长其在体内的降解时间。尽管使用化学交联剂能够有效的调节胶原蛋白基质的降解时间，但是所使用化学交联剂具有细胞毒性，会影响胶原蛋白基质的生物相容性，因此化学交联剂的用量以及降解速率调控程度有一定的限制。
因此，研究一种降解速度更慢的且对人体更加安全的胶原蛋白材料是非常重要的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述问题，提供一种胶原蛋白复合材料及其制备方法和应用。本发明的胶原蛋白复合材料能够有效降低胶原蛋白的降解效率，并且具有很好的机械性能。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种胶原蛋白复合材料，所述胶原蛋白复合材料包括高分子聚合物和分散在其中的胶原蛋白，所述高分子聚合物和所述胶原蛋白的重量比为1：(0.01-20)。
本发明的发明人发现，通过将水溶性的对人体安全的高分子聚合物与胶原蛋白相互配合，可以有效调节胶原蛋白的降解速率，从而使胶原蛋白的降解效率能够被显著降低。
上述配比已经能够很好地实现本发明的目的，为了进一步获得胶原蛋白较低的降解效率和不影响其对人体有益功能的兼顾平衡，优选地，所述高分子聚合物和所述胶原蛋白的重量比为1：(1-10)，进一步优选为1：(2-6)。
所述高分子聚合物可以选自水溶性的、对人体安全的各种高分子聚合物。
优选地，所述高分子聚合物的重均分子量为10kDa-500kDa，优选为100kDa-300kDa。
优选地，所述高分子聚合物选自聚乙烯亚胺、聚乙烯基吡咯烷酮、聚环氧乙烷、聚丙烯酰胺、纤维素醚、纤维素酯、纤维素酰胺、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚酰胺、明胶、甲基纤维素、羧甲基纤维素及其盐、糊精、乙基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、麦芽糖糊精、淀粉、改性淀粉、瓜尔胶、阿拉伯树胶、黄原胶、壳聚糖、角叉菜胶和聚丙烯酸酯及其盐中的一种或多种的混合物和/或共聚物。
根据一种优选的
具体实施方式
，所述高分子聚合物包括A组分、B组分和C组分中的两种或三种的组合，组合中每类组分的含量均不低于高分子聚合物总重量的5重量％(优选10重量％)；
其中所述A组分选自甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、纤维素醚、纤维素酯和纤维素酰胺中的一种或多种，所述B组分选自聚乙烯亚胺、聚乙烯基吡咯烷酮、聚环氧乙烷、聚丙烯酰胺、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚酰胺和聚丙烯酸酯中的一种或多种；所述C组分选自明胶、壳聚糖、糊精、麦芽糖糊精、淀粉、改性淀粉、瓜尔胶、阿拉伯树胶、黄原胶和角叉菜胶中的一种或多种。
优选地，所述A组分选自羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素和纤维素酰胺中的一种或多种。
优选地，所述B组分选自聚乙烯基吡咯烷酮、聚环氧乙烷、聚丙烯酰胺和聚乙酸乙烯酯中的一种或多种。
优选地，所述C组分选自明胶、角叉菜胶、瓜尔胶、阿拉伯树胶和黄原胶中的一种或多种。
根据一种优选的具体实施方式，所述高分子聚合物为A组分、B组分和C组分以重量比1：(1.2-2.5)：(0.4-0.8)的组合，进一步优选为1：(1.5-2)：(0.5-0.7)。
在本发明中，术语“胶原蛋白”具有本领域中通常的含义，为一种三维螺旋结构蛋白质，也包括本领域中用于缺损组织修复、再生及重建时常用的各种衍生物和变体。
本发明对所述胶原蛋白的种类没有特别的限定，根据具体的需要和临床方式进行选择即可。
优选地，所述胶原蛋白复合材料的含水量为10重量％以下，更优选为5重量％以下。
根据应用的需要，所述胶原蛋白复合材料可以制成各种形态，优选为制成膜材料。
满足上述特征的胶原蛋白复合材料能够具有很好的应用表现。所述胶原蛋白复合材料可以通过各种方法制备得到，能够满足上述特征即可。
本发明的发明人通过深入研究后发现，合适的制备工艺能够进一步促进所得的胶原蛋白复合材料具有更好的性能。
因此根据一种优选的具体实施方式，本发明第二方面提供了一种制备本发明第一方面所述的胶原蛋白复合材料的方法，该方法包括以下步骤：
(1)配制胶原蛋白溶液，该胶原蛋白溶液呈酸性；
(2)配制高分子聚合物溶液，该高分子聚合物溶液呈酸性；
(3)将所述胶原蛋白溶液和所述高分子聚合物溶液的混合溶液进行冷冻干燥。
本发明的发明人发现，通过将胶原蛋白和高分子聚合物分别溶于酸性环境中，能够使所得的胶原蛋白复合材料中胶原蛋白和高分子聚合物的协同更加有效。
在步骤(1)中，优选地，所述胶原蛋白溶液的酸度为[H+]离子浓度0.008-0.1mol/L，更优选为0.02-0.09mol/L，进一步优选为0.05-0.08mol/L。
优选地，所述胶原蛋白溶液中胶原蛋白的含量为1-20mg/ml，优选为5-12mg/ml。
所述胶原蛋白溶液可以通过将胶原蛋白溶解于第一酸性溶液中而得到。
优选地，所述胶原蛋白溶液的配制方式包括：在4-8℃的水浴条件下，将胶原蛋白与第一酸性溶液混合搅拌，直至胶原蛋白完全溶解。
所述第一酸性溶液例如可以选自醋酸、柠檬酸、盐酸、硫酸、草酸和磷酸溶液中的一种或多种；优选为醋酸、柠檬酸和草酸中的一种或多种。。
在步骤(2)中，优选地，所述高分子聚合物溶液的酸度为[H+]离子浓度0.008-0.1mol/L，更优选为0.02-0.09mol/L，进一步优选为0.05-0.08mol/L。
优选地，所述高分子聚合物溶液中高分子聚合物的含量为1-20mg/ml，优选为5-12mg/ml。
所述高分子聚合物溶液可以通过将高分子聚合物溶解于第二酸性溶液中而得到。
优选地，所述高分子聚合物溶液的配制方式包括：在40-60℃的水浴条件下，将高分子聚合物与第二酸性溶液混合搅拌，直至高分子聚合物完全溶解。
所述第二酸性溶液例如可以选自醋酸、柠檬酸、盐酸、硫酸、草酸和磷酸溶液中的一种或多种。
在步骤(3)中，优选地，将胶原蛋白溶液和高分子聚合物溶液进行混合的过程在4-8℃的条件下进行。
在步骤(3)中，优选地，在进行所述冷冻干燥之前，还包括：将所述胶原蛋白溶液和所述高分子聚合物溶液的混合溶液进行脱气处理。所述脱气处理的条件可以包括：真空度为20Pa以下，时间为20-60min。
优选地，所述冷冻干燥的温度为-10℃至-30℃，更优选为-15℃至-25℃。
为了达到本发明第一方面所述的含水量的优选范围，根据一种优选的具体实施方式，所述方法还包括步骤(4)：将步骤(3)所得物料进行高温真空脱水。
优选地，所述高温真空脱水的条件包括：温度为102-120℃，更优选为108-115℃；时间为16h-30h；真空度为20Pa以下。
本发明第三方面提供了根据第二方面所述的制备方法所得的胶原蛋白复合材料。
本发明第三方面的胶原蛋白复合材料与本发明第一方面的胶原蛋白复合材料具有相同的性质，在此不再赘述。
本发明的胶原蛋白复合材料由于其降解速度慢、对人体安全、很好的生物相容性、机械性能好等优异的性能，特别适合用在动物组织工程中的缺损组织修复、再生及重建，例如用作创面修复材料或支架材料。因此本发明第四方面提供了第一方面和第三方面所述的胶原蛋白复合材料在在用于制备缺损组织修复、再生及重建的工程中所用材料中的应用。
本发明的胶原蛋白复合材料在动物组织工程中的应用方式可以根据具体的需要而定，根据本领域常规的方式进行应用即可，在此不再赘述。
通过上述技术方案，本发明的胶原蛋白复合材料与现有技术相比至少具有以下优势：
(1)胶原蛋白的降解速度更慢且可调控；
(2)生物相容性好，不含有化学交联剂，对人体更加安全；
(3)制备方法简单快捷；
(4)具有很好的机械性能。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
具体实施方式
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。本发明所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在以下实施例和对比例中，所使用的胶原蛋白均相同。在没有特别说明的情况下，所用的成分均为商购的分析纯。
实施例1
(1)配制胶原蛋白溶液
调节反应釜冷却水浴温度至5℃，加入胶原蛋白和0.08M乙酸溶液，搅拌至溶解，配制溶液中胶原蛋白的浓度为10mg/ml。
(2)配制高分子聚合物溶液
在密闭玻璃瓶中加入高分子聚合物(聚环氧乙烷，分子量为220kDa)和0.08M乙酸溶液，放入50℃水浴中，搅拌至溶解后冷却至室温，配制溶液最终浓度为10mg/ml。
(3)混合溶液
将上述两种溶液在5℃的反应釜中搅拌混合，最终胶原蛋白与高分子聚合物的质量比为4:1。之后在20Pa以下真空脱气30分钟。
(4)冻干制膜
将上述脱气后的混合溶液加入冻干模具中，放入冻干机冻干。冷冻温度设定-20℃，保持2小时。之后在冻干真空度小于10Pa的条件下真空24小时。
(5)热处理
将上一步制得的复合膜材料放入真空干燥箱，在110℃，真空热处理24小时进一步使得复合膜材料脱水。
得到最终的胶原蛋白复合材料产品，测得含水量为0.5重量％。
实施例2
(1)配制胶原蛋白溶液
调节反应釜冷却水浴温度至4℃，加入胶原蛋白和0.1M柠檬酸溶液，搅拌至溶解，配制溶液最终浓度为5.5mg/ml。
(2)配制高分子聚合物溶液
在密闭玻璃瓶中加入高分子聚合物(壳聚糖，分子量为160kDa)和0.1M柠檬酸溶液，放入55℃水浴中，搅拌至溶解后冷却至室温，配制溶液最终浓度为5.5mg/ml。
(3)混合溶液
将上述两种溶液在5℃的反应釜中搅拌混合，最终胶原蛋白-高分子聚合物的质量比为6:1。之后真空脱气30分钟。
按照实施例1的方式进行脱气、冻干制膜和热处理。
得到最终的胶原蛋白复合材料产品，测得含水量为0.6重量％。
实施例3
(1)配制胶原蛋白溶液
调节反应釜冷却水浴温度至8℃，加入胶原蛋白和0.12M草酸溶液，搅拌至溶解，配制溶液最终浓度为7.5mg/ml。
(2)配制高分子聚合物溶液
在密闭玻璃瓶中加入高分子聚合物(黄原胶，分子量为160Da)和0.12M草酸溶液，放入60℃水浴中，搅拌至溶解后冷却至室温，配制溶液最终浓度为7.5mg/ml。
(3)混合溶液
将上述两种溶液在5℃的反应釜中搅拌混合，最终胶原蛋白-高分子聚合物的质量比为2:1。
按照实施例1的方式进行脱气、冻干制膜和热处理。
得到最终的胶原蛋白复合材料产品，测得含水量为0.8重量％。
实施例4组
本组实施例用于说明高分子聚合物的影响。
本组实施例按照实施例1进行，所不同的是，分别改变高分子聚合物的组成成分，并保持总含量不变。具体地：
实施例4a：所述高分子聚合物为两种组分的组合，具体为羟丙基甲基纤维素与聚乙烯亚胺以重量比1：2的组合，重均分子量为150kDa；
实施例4b：所述高分子聚合物为两种组分的组合，具体为聚乙酸乙烯酯与阿拉伯树胶以重量比1：0.2的组合，重均分子量为280kDa；
实施例4c：所述高分子聚合物为两种组分的组合，具体为羟乙基纤维素与明胶以重量比1：0.5的组合，重均分子量为110kDa；
实施例4d：所述高分子聚合物为三种组分的组合，具体为羧甲基纤维素、聚乙酸乙烯酯与瓜尔胶以重量比1：1.5：0.7的组合，重均分子量为180kDa；
实施例4e：所述高分子聚合物为三种组分的组合，具体为纤维素酰胺、聚乙烯基吡咯烷酮与角叉菜胶以重量比1：2：0.5的组合，重均分子量为210kDa；
分别得到最终的胶原蛋白复合材料产品。
实施例5
按照实施例1进行，所不同的是，改变高分子聚合物与胶原蛋白的配比，并保持两者的总含量不变。具体地，胶原蛋白-高分子聚合物的质量比为10:1。
最终得到胶原蛋白复合材料产品。
对比例1
参照实施例1进行，所不同的是，只含有胶原蛋白而不含有高分子聚合物。具体地：
调节反应釜冷却水浴温度至5℃，加入胶原蛋白原料和0.08M乙酸溶液，搅拌至溶解，配制溶液最终浓度为5mg/ml。
按照实施例1的方式进行脱气、冻干制膜和热处理。
得到最终的胶原蛋白材料产品。
测试例
将实施例和对比例所得的材料分别进行以下测试：
(1)酶解剩余量(％)
将所得材料在相同条件下进行酶降解，计算降解后剩余量占降解前重量的百分比，将结果记于表1中，该值越高表明剩余量越多，材料越不容易降解；
(2)机械性能
测试所得材料的拉伸强度(kPa)，将所得结果记于表1中。
表1
从表1可以看出，本发明的胶原蛋白复合材料经过降解后具有较高的剩余量，能够有效降低胶原蛋白的降解效率，并且具有很好的机械性能。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
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