CN116005361B - 一种纤维素-胶原蛋白复合纳米纤维膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种纤维素‑胶原蛋白复合纳米纤维膜的制备方法，属于功能复合材料制备技术领域，包括以下步骤：(1)纤维素衍生物制备为纺丝液后静电纺丝再水解为纤维素纳米纤维膜；(2)胶原蛋白预处理后与粘胶共混熟成后纺丝制得胶原蛋白纤维；(3)将所述胶原蛋白纤维膜粘附在所述纤维素纳米纤维膜上，得到复合膜，再分别以碳酸钠和氯化钙的甲酸水溶液浸洗，水洗后干燥制得；本发明通过复合改性，以纤维素纳米纤维膜为掺杂强化材料复合胶原蛋白纤维膜制备为复合纳米纤维膜，并通过胶原蛋白改性提高其抗酶解性能和力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及功能复合材料制备技术领域，具体涉及一种纤维素-胶原蛋白复合纳米纤维膜的制备方法。
背景技术
胶原蛋白是自然界最普遍存在的生物性高分子物质之一，是一种白色、不透明、无支链的纤维性蛋白质。它可以补充皮肤各层所需的营养，使皮肤中胶原活性增强，对滋润皮肤，延缓衰老、美容、消皱、养发等有一定功效。胶原蛋白同样非常适合作为组织工程材料，因为经胃蛋白酶消化后的牛皮肤胶原蛋白在大鼠皮下不会发生排斥反应，相比之下可以推断经酶解后的胶原蛋白也同样具有生物相容性。目前已知的胶原蛋白类型有多种，其中从动物皮肤、骨、角膜、肌腱中提取的胶原蛋白型是目前被人们认知最清楚且应用最广泛的。胶原蛋白是由三条多肽链组成的三股螺旋结构，其多肽链上的氨基酸以甘氨酸、脯氨酸和经脯氨酸的顺序排列。其分子量约为300kDa，长度300nm，直径1.5nm。由于胶原蛋白具有良好的皮肤粘附能力、生物相容性和生物降解能力，且对组织恢复有促进作用而被广泛应用于美容、医药、创面修复和生物组织工程支架等多个方面。而单纯的胶原蛋白力学性能差、降解速率过快、抗酶降解性差或者易被溶液侵蚀，现有技术多制备为复合材料使用，同时，为改善常规的胶原蛋白复合材料性能，现有技术以双醛交联剂进行交联，但双醛交联剂存在毒性问题，且交联后的胶原加工性能差、缺乏柔韧性、拉伸强度低、易断，失去胶原蛋白本身所具有的机能性。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种纤维素-胶原蛋白复合纳米纤维膜的制备方法。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
一种纤维素-胶原蛋白复合纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、纤维素膜制备
称取醋酸纤维素并溶解在丙酮和二甲基甲酰胺的混合溶剂中，脱泡处理后制得纺丝液，将所述纺丝液通过静电纺丝法制备为醋酸纤维素的纳米纤维膜，将所述醋酸纤维素的纳米纤维膜置于氢氧化钠的乙醇溶液中进行水解，水解完成后以去离子水漂洗至中性，干燥得到纤维素纳米纤维膜；
S2、胶原蛋白纤维膜制备
将胶原蛋白粉溶于磷酸盐缓冲液中，配制为质量分数1-10％、pH值为7-8的胶原蛋白水溶液，将所述胶原蛋白水溶液加热升温至50-65℃并保温0.5-1h，得到胶原蛋白预处理液，待冷却至室温后按照胶原蛋白占粘胶中甲纤质量比的10-20％的比例加入粘胶中，充分混合后继续搅拌4-8h后纺丝制备为胶原蛋白纳米纤维膜；
S3、复合
将所述胶原蛋白纳米纤维膜贴附在所述纤维素纳米纤维膜的一面或两面，得到复合膜，将所述复合膜置于0.01-0.05mol/L的碳酸钠溶液中，在60-80℃下保温1-2h，以去离子水漂洗后置于氯化钙的甲酸水溶液中，静置过夜，取出以去离子水漂洗，干燥后制得所述纤维素-胶原蛋白复合纳米纤维膜。
在一些优选的所述方式中，所述纺丝液中所述醋酸纤维素的质量浓度在12-20％。
在一些优选的所述方式中，所述静电纺丝的条件为，工作电压为15-25kV、溶液流速为0.8-1.2mL/h、针尖到滚筒距离为10-20cm。
在一些优选的所述方式中，所述胶原蛋白粉为Ⅰ型胶原蛋白，所述Ⅰ型胶原蛋白包括鼠尾胶原蛋白、鱼源胶原蛋白、牛胶原蛋白或猪胶原蛋白。
在一些优选的所述方式中，所述氯化钙的甲酸水溶液中甲酸与水的体积比例为1：(1-4)，所述氯化钙的摩尔浓度为0.1-1mol/L。
在一些优选的所述方式中，所述胶原蛋白纤维膜的制备方法还包括以下步骤：
S21、将废弃的酿酒酵母依次以饱和氯化钠溶液和去离子水漂洗，加入酵母裂解液孵化，离心后以磁珠法提取上清液中的DNA，将所述DNA加入到苯磺酰氯的二甲基甲酰胺溶液中，常温搅拌反应6-12h，浓缩后加入冷的乙醚溶剂，分离沉淀，得到产物A，将所述产物A加入到邻苯二甲酰亚胺盐的二甲基甲酰胺溶液中，80-90℃下搅拌反应1-3h，浓缩后加入冷的乙醚溶剂，分离沉淀，得到产物B，将所述产物B溶解在氨水的乙醇溶液中，常温搅拌反应6-12h，浓缩后加入冷的乙醚溶剂，分离沉淀，得到产物C；称取BMPS交联剂并溶解在二甲基亚砜中，立即加入所述产物C，再将步骤S2制得的纳米纤维膜浸入，在常温下以500-1000rpm振荡反应0.5-2h，反应完成后重复浸入和振荡，取出并以无水乙醇洗涤，干燥制得。
在一些优选的所述方式中，所述纤维素膜的制备方法还包括以下步骤：
S11、将步骤S1制得的纳米纤维膜用热的稀氢氧化钠溶液浸泡，以去离子水漂洗后，浸入质量浓度为3-7％的APTMS的乙醇溶液，浸泡完成后以无水乙醇洗涤，再浸入1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基磺基琥珀酰亚胺的混合溶液中，在常温下以500-1000rpm振荡反应0.5-2h，取出并以无水乙醇洗涤，干燥制得；
其中，所述混合溶液中1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基磺基琥珀酰亚胺的浓度分别为0.1-0.2mol/L、0.05-0.1mol/L。
本发明的另一方面在于提供一种所述制备方法制备得到的纤维素-胶原蛋白复合纳米纤维膜及其作为可生物降解和吸收的生物高分子材料、药物释放膜、人造皮肤、创伤敷料，伤口包覆材料或止血材料的应用。
本发明的有益效果为：
本发明通过复合改性，以纤维素纳米纤维膜为掺杂强化材料复合胶原蛋白纳米纤维膜制备为复合纳米纤维膜，所述复合纳米纤维膜兼具纤维素的高力学强度和表面胶原蛋白的生物活性，并通过胶原蛋白矿化改性提高其抗酶解性能，具体的，本发明以纤维素纳米纤维膜为基底，通过多层结构在表面引入胶原蛋白纳米纤维膜，在保留纤维素纳米纤维的力学强度的同时保持胶原蛋白的生物活性，进一步的，本发明通过氯化钙的矿化作用对所述复合纳米纤维膜中的胶原蛋白进行改性，在保留胶原蛋白原有机能的同时提高其抗酶解性能，减缓其降解速率；进一步的，本发明以提取自废弃酿酒酵母的DNA片段为改性剂，胺化后将其引入胶原蛋白膜表面，同时对所述纤维素纳米纤维膜进行表面氨基化和活化处理，由于DNA表面的分子磷酸基团带有负电荷，与质子化氨基化的纤维素纳米纤维膜表面的正电荷产生静电作用力，产生类似自交联的相互作用，进一步提高其抗酶解性能，同时提高其力学性能，本发明通过以具有相应生物亲和性和可降解性的DNA片段为改性剂，基于静电力构造交联作用，相比有毒性的二元醛交联剂，本发明所述DNA片段来源广泛，安全无毒，在保留胶原柔韧性、生物活性的同时提高其力学强度并降低降解速率。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种纤维素-胶原蛋白复合纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、纤维素膜制备
称取醋酸纤维素并溶解在丙酮和二甲基甲酰胺的混合溶剂(v/v＝1：1)中，其质量浓度为15％，脱泡处理后制得纺丝液，将所述纺丝液通过静电纺丝法制备为醋酸纤维素的纳米纤维膜，静电纺丝的条件为：工作电压为20kV、溶液流速为1.0mL/h、针尖到滚筒距离为12cm；将所述醋酸纤维素的纳米纤维膜置于氢氧化钠的乙醇溶液中进行水解，水解完成后以去离子水漂洗至中性，干燥得到纤维素纳米纤维膜；
S2、胶原蛋白纤维膜制备
将牛源胶原蛋白粉溶于磷酸盐缓冲液中，配制为质量分数8％、pH值为7-8的胶原蛋白水溶液，将所述胶原蛋白水溶液加热升温至60℃并保温0.5h，得到胶原蛋白预处理液，待冷却至室温后按照胶原蛋白占粘胶中甲纤质量比的18％的比例加入粘胶中，充分混合后继续搅拌4h后纺丝制备为胶原蛋白纳米纤维膜；
S3、复合
将所述胶原蛋白纳米纤维膜贴附在所述纤维素纳米纤维膜的两面，或者将所述胶原蛋白纳米纤维膜直接纺丝在所述纤维素纳米纤维膜上，得到复合膜，将所述复合膜置于0.03mol/L的碳酸钠溶液中，在70℃下保温1h，以去离子水漂洗后置于氯化钙(0.2mol/L)的甲酸水溶液(v/v＝1：2)中，静置过夜，取出以去离子水漂洗，干燥后制得所述纤维素-胶原蛋白复合纳米纤维膜。
实施例2
一种纤维素-胶原蛋白复合纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、纤维素膜制备
称取醋酸纤维素并溶解在丙酮和二甲基甲酰胺的混合溶剂(v/v＝1：1)中，其质量浓度为15％，脱泡处理后制得纺丝液，将所述纺丝液通过静电纺丝法制备为醋酸纤维素的纳米纤维膜，静电纺丝的条件为：工作电压为20kV、溶液流速为1.0mL/h、针尖到滚筒距离为12cm；将所述醋酸纤维素的纳米纤维膜置于氢氧化钠的乙醇溶液中进行水解，水解完成后以去离子水漂洗至中性，干燥得到纤维素纳米纤维膜；
S2、胶原蛋白纤维膜制备
将牛源胶原蛋白粉溶于磷酸盐缓冲液中，配制为质量分数8％、pH值为7-8的胶原蛋白水溶液，将所述胶原蛋白水溶液加热升温至60℃并保温0.5h，得到胶原蛋白预处理液，待冷却至室温后按照胶原蛋白占粘胶中甲纤质量比的18％的比例加入粘胶中，充分混合后继续搅拌4h后纺丝制备为胶原蛋白纳米纤维膜；
S3、复合
将所述胶原蛋白纳米纤维膜贴附在所述纤维素纳米纤维膜的两面，或者将所述胶原蛋白纳米纤维膜直接纺丝在所述纤维素纳米纤维膜上，得到复合膜，将所述复合膜置于0.03mol/L的碳酸钠溶液中，在70℃下保温1h，以去离子水漂洗后置于甲酸水溶液(v/v＝1：2)中，静置过夜，取出以去离子水漂洗，干燥后制得所述纤维素-胶原蛋白复合纳米纤维膜。
实施例3
一种纤维素-胶原蛋白复合纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、纤维素膜制备
称取醋酸纤维素并溶解在丙酮和二甲基甲酰胺的混合溶剂(v/v＝1：1)中，其质量浓度为15％，脱泡处理后制得纺丝液，将所述纺丝液通过静电纺丝法制备为醋酸纤维素的纳米纤维膜，静电纺丝的条件为：工作电压为20kV、溶液流速为1.0mL/h、针尖到滚筒距离为12cm；将所述醋酸纤维素的纳米纤维膜置于氢氧化钠的乙醇溶液中进行水解，水解完成后以去离子水漂洗至中性，干燥备用；
S2、纤维素膜改性处理
将步骤S1制得的纤维膜用80℃的稀氢氧化钠溶液(0.01mol/L)浸泡，以去离子水漂洗后，浸入质量浓度为5％的APTMS的乙醇溶液，浸泡完成后以无水乙醇洗涤，再浸入1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基磺基琥珀酰亚胺的混合溶液中，在常温下以750rpm振荡反应0.5h，取出并以无水乙醇洗涤，干燥制得纤维素纳米纤维膜；
其中，所述混合溶液中1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基磺基琥珀酰亚胺的浓度分别为0.1mol/L、0.05mol/L；
S3、胶原蛋白纤维膜制备
将牛源胶原蛋白粉溶于磷酸盐缓冲液中，配制为质量分数8％、pH值为7-8的胶原蛋白水溶液，将所述胶原蛋白水溶液加热升温至60℃并保温0.5h，得到胶原蛋白预处理液，待冷却至室温后按照胶原蛋白占粘胶中甲纤质量比的18％的比例加入粘胶中，充分混合后继续搅拌4h后纺丝制备成膜；
S4、胶原蛋白纤维膜改性处理
将废弃的酿酒酵母依次以饱和氯化钠溶液和去离子水漂洗，加入酵母裂解液孵化，所述酵母裂解液的组成为：醋酸锂0.2mol/L、氯化钠0.5mol/L、EDTA(pH8.0)10mmol/L、Tris盐酸盐(pH8.0)100mmol/L、SDS 1％，孵化温度70℃，离心后以磁珠法提取上清液中的DNA，将所述DNA加入到苯磺酰氯的二甲基甲酰胺溶液中，常温搅拌反应8h，浓缩后加入冷的乙醚溶剂，分离沉淀，得到产物A，将所述产物A加入到邻苯二甲酰亚胺盐的二甲基甲酰胺溶液中，80-90℃下搅拌反应1h，浓缩后加入冷的乙醚溶剂，分离沉淀，得到产物B，将所述产物B溶解在氨水(25％)的乙醇溶液(v/v＝1：8)中，常温搅拌反应6h，浓缩后加入冷的乙醚溶剂，分离沉淀，得到产物C；称取BMPS交联剂并溶解在二甲基亚砜中，立即加入所述产物C，再将步骤S2制得的纳米纤维膜浸入，在常温下以750rpm振荡反应0.5h，反应完成后重复浸入和振荡1次，取出并以无水乙醇洗涤，干燥制得胶原蛋白纳米纤维膜；
其中，所述DNA与所述苯磺酰氯的质量比例为1：0.76；所述产物A与所述邻苯二甲酰亚胺盐的质量比例为1：0.48；所述产物B与所述氨水的质量比例为1：2，所述产物C与所述BMPS交联剂、所述纳米纤维膜的质量比例为2.7：0.5：100；
S3、复合
将所述胶原蛋白纳米纤维膜贴附在所述纤维素纳米纤维膜的两面，或者将所述胶原蛋白纳米纤维膜直接纺丝在所述纤维素纳米纤维膜上，得到复合膜，将所述复合膜置于0.03mol/L的碳酸钠溶液中，在70℃下保温1h，以去离子水漂洗后置于氯化钙(0.2mol/L)的甲酸水溶液(v/v＝1：2)中，静置过夜，取出以去离子水漂洗，干燥后制得所述纤维素-胶原蛋白复合纳米纤维膜。
实验例
1、抗侵蚀
采用水浸泡法测定实施例1-3制得的纤维素-胶原蛋白复合纳米纤维膜在液态环境中的质量损失，测定结果如下：
| 抗侵蚀性 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 |
| 质量损失/％ | 0.4 | 0.7 | 0.1 |
2、机械性能
采用物性测试仪测量实施例1-3制得的纤维素-胶原蛋白复合纳米纤维膜力学性能，以所述纤维素纳米纤维膜为对比，测定结果如下：
| 机械性能 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 对比 |
| 克重(g/m2) | 30.4 | 26.7 | 30.5 | 18.3 |
| 厚度(μm) | 18-40-18 | 18-40-18 | 18-40-18 | 40 |
| 撕裂强度(N) | 17.6 | 16.2 | 18.8 | 15.9 |
| 拉伸强度(N/5cm) | 95.8 | 88.4 | 112.7 | 86.2 |
3、酶解抗性
以生理缓冲盐水调节渗透压至250～300mOsm，加入胶原酶，得到酶解缓冲液；以清水清洗所述复合纳米纤维膜数次，将所述复合纳米纤维膜浸泡于酶解缓冲液中，于30℃培养24h，以不含胶原酶的缓冲溶液当自发性溶解的空白对照组；取各组反应上清液，测定上清液内羟脯氨酸含量，含胶原酶溶液内羟脯氨酸含量扣除不含胶原酶溶液内羟脯氨酸含量后即为酶分解产生的羟脯氨酸含量，以未进行改性的复合纳米纤维膜产生的羟脯氨酸含量为100％酶解，测定改性的复合纳米纤维膜的酶解百分比，测定结果如下：
| 抗酶解性 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 |
| 酶解百分比/％ | 19.4 | 100 | 9.72 |
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (9)
1. 一种纤维素-胶原蛋白复合纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、纤维素膜制备
称取醋酸纤维素并溶解在丙酮和二甲基甲酰胺的混合溶剂中，脱泡处理后制得纺丝液，将所述纺丝液通过静电纺丝法制备为醋酸纤维素的纳米纤维膜，将所述醋酸纤维素的纳米纤维膜置于氢氧化钠的乙醇溶液中进行水解，水解完成后以去离子水漂洗至中性，干燥得到纤维素纳米纤维膜；
S2、胶原蛋白纤维膜制备
将胶原蛋白粉溶于磷酸盐缓冲液中，配制为质量分数1-10%、pH值为7-8的胶原蛋白水溶液，将所述胶原蛋白水溶液加热升温至50-65℃并保温0.5-1h，得到胶原蛋白预处理液，待冷却至室温后按照胶原蛋白占粘胶中甲纤质量比的10-20%的比例加入粘胶中，充分混合后继续搅拌4-8h后纺丝制备为胶原蛋白纳米纤维膜；
S3、复合
将所述胶原蛋白纳米纤维膜贴附在所述纤维素纳米纤维膜的一面或两面，得到复合膜，将所述复合膜置于0.01-0.05mol/L的碳酸钠溶液中，在60-80℃下保温1-2h，以去离子水漂洗后置于氯化钙的甲酸水溶液中，静置过夜，取出以去离子水漂洗，干燥后制得所述纤维素-胶原蛋白复合纳米纤维膜。
2.根据权利要求1所述的一种纤维素-胶原蛋白复合纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述纺丝液中所述醋酸纤维素的质量浓度在12-20%。
3.根据权利要求1所述的一种纤维素-胶原蛋白复合纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝的条件均为，工作电压为15-25kV、溶液流速为0.8-1.2mL/h、针尖到滚筒距离为10-20cm。
4.根据权利要求1所述的一种纤维素-胶原蛋白复合纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述胶原蛋白粉为Ⅰ型胶原蛋白，所述Ⅰ型胶原蛋白包括鼠尾胶原蛋白、鱼源胶原蛋白、牛胶原蛋白或猪胶原蛋白。
5.根据权利要求1所述的一种纤维素-胶原蛋白复合纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述氯化钙的甲酸水溶液中甲酸与水的体积比例为1：（1-4），所述氯化钙的摩尔浓度为0.1-1mol/L。
6.根据权利要求1所述的一种纤维素-胶原蛋白复合纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述胶原蛋白纤维膜的制备方法还包括以下步骤：
S21、将废弃的酿酒酵母依次以饱和氯化钠溶液和去离子水漂洗，加入酵母裂解液孵化，离心后以磁珠法提取上清液中的DNA，将所述DNA加入到苯磺酰氯的二甲基甲酰胺溶液中，常温搅拌反应6-12h，浓缩后加入冷的乙醚溶剂，分离沉淀，得到产物A，将所述产物A加入到邻苯二甲酰亚胺盐的二甲基甲酰胺溶液中，80-90℃下搅拌反应1-3h，浓缩后加入冷的乙醚溶剂，分离沉淀，得到产物B，将所述产物B溶解在氨水的乙醇溶液中，常温搅拌反应6-12h，浓缩后加入冷的乙醚溶剂，分离沉淀，得到产物C；称取BMPS交联剂并溶解在二甲基亚砜中，立即加入所述产物C，再将步骤S2制得的纳米纤维膜浸入，在常温下以500-1000rpm振荡反应0.5-2h，反应完成后重复浸入和振荡，取出并以无水乙醇洗涤，干燥制得。
7.根据权利要求6所述的一种纤维素-胶原蛋白复合纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述纤维素膜的制备方法还包括以下步骤：
S11、将步骤S1制得的纳米纤维膜用热的稀氢氧化钠溶液浸泡，以去离子水漂洗后，浸入质量浓度为3-7%的APTMS的乙醇溶液，浸泡完成后以无水乙醇洗涤，再浸入1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基磺基琥珀酰亚胺的混合溶液中，在常温下以500-1000rpm振荡反应0.5-2h，取出并以无水乙醇洗涤，干燥制得；
其中，所述混合溶液中1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基磺基琥珀酰亚胺的浓度分别为0.1-0.2mol/L、0.05-0.1mol/L。
8.根据权利要求1-7之一所述的制备方法制备得到的纤维素-胶原蛋白复合纳米纤维膜。
9.根据权利要求8所述的纤维素-胶原蛋白复合纳米纤维膜作为可生物降解和吸收的药物释放膜、可生物降解和吸收的人造皮肤、可生物降解和吸收的创伤敷料或可生物降解和吸收的止血材料的应用。
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