一种基于二级交联体系制备增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维的方法与流程

本发明涉及生物蛋白纤维制备，特别涉及一种基于二级交联体系制备增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维的方法。

背景技术：

1、众所周知，由蛋白类、多糖类等天然生物大分子所制备的纤维具有优异的生物相容性、可再生性以及可降解性等特点。然而与合成高分子纤维相比，天然生物大分子纤维的机械性能在一些应用场所还不能满足特定的需求。目前，对天然生物大分子的改性研究成为了技术研发的方向之一，其中主要包括物理改性和化学改性。物理改性主要有共混、掺杂、热处理等方法，该方法对各个组分的相容性要求较高，若组分间不相容则共混复合材料的性能得不到很大的提升；化学改性是指通过化学反应，改变高分子链上的原子或原子团的种类及其排列方式的一类改性方法，主要包括交联、接枝、嵌段、扩链等方法，其中交联改性在天然生物大分子的改性中应用的较为广泛。交联可以将线型或支链的高分子反应形成网状结构，从而增强了材料的稳定性和机械性能。

2、湿法纺丝是一种通过溶液纺丝制备纤维的方法，湿法纺丝的基本工序包括纺丝液的配制、纺丝液从喷丝板或注射针头处挤出形成纤维细流，纤维细流在凝固浴中发生凝固或化学反应形成初生纤维，初生纤维经过后拉伸形成具有一定力学性能的纤维，可以应用于诸如天然生物大分子等不能熔融纺丝的材料中。湿法纺丝技术在一定程度上扩大了天然生物大分子纤维的加工及应用范围。然而，目前的湿法纺丝技术仍然存在蛋白纤维强度不够高、需要使用高剂量的有毒交联剂的缺陷。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于二级交联体系制备增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维的方法，从而解决现有技术中存在的生物蛋白纤维强度和韧性不够高、需要使用高剂量的有毒交联剂且细胞相容性不够理想的问题。

2、为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

3、根据本发明的第一方面，提供一种基于二级交联体系制备增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维的方法，包括以下步骤：s1：向蛋白溶液中逐滴加入交联剂，进行一级交联，形成具有一定交联网络的蛋白纺丝液；其中，所述蛋白为牛血清白蛋白、类弹性蛋白、丝素蛋白、大豆蛋白、玉米蛋白中的一种或多种；所述蛋白溶液的浓度为3～600mg/ml；所述一级交联的交联剂包括：戊二醛、peg二醛、京尼平；所述交联剂与蛋白溶液的体积比为(0.05～1)∶100；所述一级交联的交联剂溶液中交联剂组分浓度为0.5％～30％；s2：将步骤s1制得的蛋白纺丝液通过注射泵挤出，经过多通道微流控/湿法纺丝芯片挤入到凝固浴中，进而二级交联；其中，所述凝固浴为含有脱水剂、交联剂和增韧剂的水溶液；所述脱水剂为甲醇、乙醇、多元醇当中的一种或多种；所述二级交联的交联剂包括：戊二醛、peg二醛、京尼平；所述凝固浴中交联剂组分浓度为0.5％～10％，增韧剂浓度为0～10％；s3：纤维在凝固浴中二级交联后，通过拉伸辊进行后拉伸，在后拉伸过程中将纤维通入含有增韧剂和氨基酸的洗涤浴进行增韧和后洗涤；最终在收集辊上收卷获得具有一定应力和应变的增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维；所述洗涤浴中的增韧剂浓度为0.5％～50％，氨基酸浓度为0.1％～10％；其中，步骤s2和步骤s3中，所述增韧剂为甘油、乙酸乙酯、依克多因、邻苯二甲酸二辛酯中的一种或多种；所述氨基酸为22种氨基酸中的一种或多种。

4、优选地，步骤s2中，所述凝固浴中的增韧剂浓度为0～10％；更优选为4％～10％。

5、优选地，步骤s3中，所述洗涤浴中增韧剂的浓度为0.5％～50％；更优选为1％～15％；最优选为10％。

6、优选地，步骤s3中，所述洗涤浴中氨基酸的浓度为0.1％～10％；更优选为0.5％～5％；最优选为2％。根据本发明的研究发现，洗涤浴中氨基酸浓度太低(低于0.1％)时，纤维中的交联剂无法彻底反应和洗涤干净，引起一定的细胞毒性；浓度太高(高于10％)时，纤维纺丝稳定性和强度会严重下降。

7、优选地，蛋白溶液的浓度为3～600mg/ml，更优选为300～500mg/ml；最优选为400mg/ml。浓度太低时纤维无法成型，浓度太高时，纺丝液太粘稠，也不能正常纺丝。

8、所述一级交联的交联剂优选为戊二醛、peg二醛、京尼平等；更优选为戊二醛。

9、优选地，步骤s1中，所述一级交联的交联剂溶液中交联剂组分浓度为0.5％～30％；更优选为5％～20％；最优选为10％；所述交联剂与蛋白溶液的体积比为(0.05～1)∶100，更优选为(0.1～0.4)∶100，最优选为0.2∶100。根据本发明的研究发现，一级交联的交联浓度或一级交联的交联剂溶液中交联剂组分浓度如果太高，与蛋白纺丝液会发生过多的反应，导致胶状物的出现，无法正常纺丝。

10、本发明所述的一级交联是在蛋白溶液中逐滴加入交联剂，形成具有一定交联网络的蛋白纺丝液。优选地，步骤s1中，所述交联剂逐滴加入的体积为5～200μl。通过控制逐滴加入的交联剂溶液的体积，避免发生的化学反应速率过快，导致溶液成胶状。

11、优选地，步骤s2中，所述多通道微流控/湿法纺丝芯片为中心通道与不锈钢微管或者玻璃锥形微管连接管相连，在芯片内部沿同一方向平均分布有多个分支通道的结构单元，所述多个分支通道的数量为2～100通道；更优选为2～50通道；最优选为10～20通道。不同的通道数量产生的纤维根数就不一样。

12、优选地，步骤s2中，所述注射泵挤出的流速为0.5～500μl/min；更优选为0.5～400μl/min；最优选为50～300μl/min。应当理解的是，流速决定了纤维能否正常成型。太低的流速，纺丝液无法挤出或者纤维太细，无法后拉伸；太高的流速，纺丝液会直接接触到凝固浴底部，不能很好的收集。

13、所述二级交联的交联剂优选为戊二醛、peg二醛、京尼平等；更优选为戊二醛。

14、所述增韧剂优选为甘油、乙酸乙酯、依克多因、邻苯二甲酸二辛酯当中的一种或多种；更优选为甘油。

15、优选地，步骤s2中，所述凝固浴中的脱水剂浓度为50％～99.5％，凝固浴中交联剂组分浓度为0.5％～10％，增韧剂浓度为0～10％。不同浓度的交联剂会产生不同强度的纤维，浓度太低时，纤维强度下降，太高时，纤维太脆，容易拉断。

16、所述氨基酸优选为赖氨酸、甘氨酸、丙氨酸、胱氨酸等22种氨基酸中的一种或多种；更优选为赖氨酸、甘氨酸；最优选为赖氨酸。其原因在于，bsa中含有含量较高的59个赖氨酸残基，其中30-35个含有可以与交联试剂发生反应的伯胺。

17、本发明中的所述拉伸辊优选为一组可以调节转速的直径相同的不锈钢金属辊。其中，所述不锈钢金属辊的直径优选为3～20cm；更优选为5～10cm；最优选为7.5cm。

18、优选地，步骤s3中，所述拉伸辊的转速为1～100rpm；更优选为3～40rpm。所述收集辊与拉伸辊的直径相同，且可以将纸管固定在中心轴上，与收集辊同步旋转。不同的拉伸辊转速会导致不同的拉伸倍数，拉伸倍数不同则纤维机械强度不同。拉伸倍数越大，应力越大，应变越小。

19、根据本发明的第二方面，提供一种采用上述制备方法制备得到的增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维。

20、本发明所制备的纤维通过编织工艺，可以织造成各种纺织品，应用于手术缝合线、生物补片、心脏支架等生物材料中。

21、根据本发明，提供了一种基于二级交联体系制备增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维的方法，首先，采用交联剂对牛血清白蛋白、类弹性蛋白、丝素蛋白、大豆蛋白、玉米蛋白等蛋白材料进行低交联度的一级交联，然后，通过湿法纺丝技术，在凝固浴中添加交联剂使纤维在凝固浴中进行二级交联，最后，再通过拉伸辊进行后拉伸，在收集辊上收卷成具有一定应力和应变的增韧及高细胞相容性生物蛋白纤维。

22、本发明的关键发明点主要在于，本发明通过一级交联和二级交联以及结合增韧和后洗涤的方法制备出了一种韧性增强及高细胞相容性的生物蛋白纤维，分别采用以下方法进行增韧和后洗涤：在凝固浴中添加增韧剂，同时在后拉伸过程中将纤维通入含有增韧剂的洗涤浴进行增韧；在后拉伸过程中将纤维通入含有氨基酸的洗涤浴进行后洗涤，用于将纤维上多余的交联剂反应并洗涤掉，从而提高纤维的细胞相容性。其作用原理为：蛋白纺丝液与凝固浴中的戊二醛交联剂发生席夫碱化学反应，在反应的同时，增韧剂可以扩散到纤维内部，使纤维内外均有增韧剂的分布；经过前面的一级交联和二级交联后，纤维强度已经得到初步增强，在后拉伸过程中使纤维通过一个增韧剂洗涤浴，可使纤维在后拉伸过程中进一步得到韧性增强，且不会导致纤维断裂。另一方面，由于纤维从凝固浴中会带出大量未反应完全的对细胞产生一定毒性的戊二醛交联剂，而这些多余的交联剂在含有氨基酸的洗涤浴中会与氨基酸发生席夫碱化学反应被进一步反应和清洗掉，从而降低了纤维的细胞毒性。通过控制氨基酸浓度，在纤维强度下降较小的情况下，纤维的细胞相容性可以得到很好的提升。然而，截止到目前为止，现有技术从未给出过浸泡氨基酸溶液可提高纤维的细胞相容性这样的技术启示。本发明的湿法纺丝工艺首先通过戊二醛与bsa氨基酸残基反应来得到具有一定强度的纤维，然后通过浸泡含有氨基酸的溶液从而有效的将凝固浴中与bsa反应多余的戊二醛反应清除，防止残留的戊二醛对细胞相容性产生影响。

23、综上所述，本发明通过在纺丝液中进行低交联度的一级交联，以及凝固浴中进行高交联度的二级交联，通过在凝固浴中加入无毒的增韧剂(比如，甘油等)和后拉伸过程中使纤维通过增韧剂溶液来增强纤维的韧性(应变)，同时通过拉伸过程中将纤维经过氨基酸洗涤浴进行后洗涤，反应并洗涤除去多余的交联剂，成功制备得到一种韧性和细胞相容性得到大幅提升的生物蛋白纤维。本发明可以很大程度上提高天然生物大分子纤维的机械性能和生物相容性，实现高强高韧生物大分子蛋白纤维的制备，为天然生物大分子纤维在生物医学领域中的应用提供高性能材料。