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CN116284902B - 一种明胶基水凝胶膜及其制备方法和应用 - Google Patents

一种明胶基水凝胶膜及其制备方法和应用

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CN116284902B
CN116284902B CN202310113992.8A CN202310113992A CN116284902B CN 116284902 B CN116284902 B CN 116284902B CN 202310113992 A CN202310113992 A CN 202310113992A CN 116284902 B CN116284902 B CN 116284902B
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Abstract

本发明属于生物高分子材料技术领域，具体涉及一种明胶基水凝胶膜及其制备方法和应用。明胶基水凝胶膜由明胶、牛血清蛋白、交联剂和水制备得到，明胶、牛血清蛋白和交联剂的质量比为2‑5：0.5‑5：0.05‑1。该明胶为A型明胶或B型明胶，A型明胶的胶强度为100‑500gBloom，交联剂为戊二醛、甲醛、京尼平和甲基丙烯酰胺中的一种或多种。本发明制备得到的明胶基水凝胶膜呈固体薄膜状，既具有优异的力学性能，又具有良好的生物相容性。

Description

一种明胶基水凝胶膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于生物高分子材料技术领域，具体涉及一种明胶基水凝胶膜及其制备方法和应用。
背景技术
水凝胶是一种具有亲水性的三维网状交联结构的高分子网络体系。水凝胶性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水，具有良好的生物相容性和生物降解性，可用于组织工程、药物载体、医用敷料和细胞培养等领域。
构建水凝胶的高分子种类有很多，其中明胶(GEL)是应用最为广泛的一种，它是一种胶原蛋白的水解产物，具有胶原的突出特征，如生物可降解性、良好的生物相容性、非免疫原性和带有RGD(R：精氨酸；G：甘氨酸；D：天冬氨酸)肽序列等。因此它可以作为一个多功能平台，应用在不同领域，例如创面修复、组织工程、骨修复、软骨修复等。理想的水凝胶支架应具有以下特点：适当的机械性能、良好的保水性、抗感染能力、可注射能力和良好的细胞生物相容性。
现有技术中有采用明胶构建水凝胶材料的，例如，Pensak Jantrawut等人报道了一种低甲氧基果胶(LMP)/明胶/羧甲基纤维素(CMC)交联的水凝胶薄膜材料并用于伤口敷料(Jantrawut，P.；Bunrueangtha，J.；Suerthong，J.；Kantrong，N.FabricationandCharacterization of Low Methoxyl Pectin/Gelatin/Carboxymethyl CelluloseAbsorbent Hydrogel Film for Wound DressingApplications.Materials 2019，12，1628.)。Tze-Wen Chung等人报道利用明胶与PLGA或PLGA-NH2结合，产生了药物载体水凝胶薄膜，以输送疏水性药物。发现水凝胶膜具有高负载吲哚美辛(IDM)、低爆释、以及长达96小时的IDM缓释(ChungTW，ChouTH，Wu K Y.Gelatin/PLGA hydrogel films and theirdelivery of hydrophobic drugs[J].Journal of the TaiwanInstitute ofChemicalEngineers，2016，60:8-14.)。PatriciaHubner等人报道了一种采用流延法和紫外光交联法制备的明胶/PVA水凝胶薄膜，优化后水凝胶膜具有膨胀性(65％)、弹性(146％)和良好的力学性能(3.40Mpa)(Hubner P，Marcilio N R，Tessaro I C.Gelatin/poly(vinyl alcohol)based hydrogel film–A potential biomaterial for wound dressing:Experimentaldesign and optimization followedby rotatable central composite design[J].Journal of BiomaterialsApplications，2021，36(4):682-700.)。SatishPatel等人制备了一种以戊二醛交联剂的壳聚糖-明胶水凝胶(LCGH)膜，测试结果显示甘油增塑的膜显着改变了水凝胶的性能、强度、厚度，并表现出高溶胀能力和长达24小时的药物控释(PatelS，Srivastava S，Singh M R，et al.Preparation and optimization ofchitosan-gelatin films for sustained delivery oflupeol for wound healing[J].Internationaljournal ofbiological macromolecules，2018，107:1888-1897.)。
然而，上述以明胶为原料制备的水凝胶膜材料，大多采用含有醛基的交联剂及使用有机溶剂来制备水凝胶的，存在有游离醛基，有机溶剂挥发不完全等问题，且严重影响了材料的生物相容性。
发明内容
为了解决上述存在的技术问题，本发明提供一种明胶基水凝胶膜，所述明胶基水凝胶膜由明胶、牛血清蛋白(BSA)、交联剂和水制备得到，所述明胶、牛血清蛋白和交联剂的质量比为2-5：0.5-5：0.05-1，所述牛血清蛋白和交联剂的总质量和水的质量比为2-11：89-98。
明胶能在交联剂和引发剂的作用下，于上述温度下发生Schiff碱反应或亲核取代反应，同时，由于拥有螺旋状折叠构象及无规线团结构的牛血清蛋白的加入，能够制备出刚柔并济的高性能凝胶材料，得到明胶基水凝胶膜。
优选的，所述明胶、牛血清蛋白和交联剂的质量比为2-4：1-4：0.05-0.5。
进一步地，所述明胶、牛血清蛋白和交联剂的质量比为2-4：1-3.5：0.05-0.1。
优选的，所述明胶为A型明胶和/或B型明胶。
进一步地，所述A型明胶的胶强度为100-500g Bloom。
优选的，所述交联剂为京尼平。
本发明还提供一种上述明胶基水凝胶膜的制备方法，包括如下步骤：将明胶溶于水后，加入牛血清蛋白和交联剂，反应，干燥后得到所述明胶基水凝胶膜。
优选的，所述反应的温度为10-40℃。
优选的，所述反应的时间为2-10h。
优选的，所述干燥的时间为12-48h，此步骤旨为去除多余的水分，干燥后获得纯净的水凝胶膜。
优选的，所述反应于聚四氟乙烯模具中进行。
本发明还提供一种生物医用敷料，包括上述的明胶基水凝胶膜。
本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明以A型明胶和/或B型明胶作为原料，其在交联剂的作用下，可在溶液中发生Schiff碱反应或亲核取代反应，形成的水凝胶具有无毒、可降解等特点，且具有良好生物相容性，同时，加入牛血清蛋白作为柔性链，制备复合凝胶，提高水凝胶膜的柔韧性。本发明在自身呈现一定的刚性，分子链柔韧性较差的明胶分子链中加入拥有螺旋状折叠构象及无规线团结构的牛血清蛋白，制备出刚柔并济的高性能凝胶材料。而且，本发明的水凝胶膜作为生物医用水凝胶敷料，可以适应皮肤的运动，具有良好的机械强度和相对稳定性。
此外，本发明的水凝胶膜原料成本低，制备方法简单，易于规模化生产和应用。
附图说明
图1是使用对比例1制得的水凝胶膜的拉伸性能图；
图2是使用对比例1制得的水凝胶膜的压缩性能图；
图3是使用实施例1制得的水凝胶膜的拉伸性能图；
图4是使用实施例1制得的水凝胶膜的压缩性能图；
图5是使用实施例2制得的水凝胶膜的拉伸性能图；
图6是使用实施例2制得的水凝胶膜的压缩性能图；
图7是使用实施例2制得的水凝胶膜的贴敷性能图；
图8是水凝胶膜的拉伸强度对比图；
图9是水凝胶膜的压缩应力对比图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明公开内容理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
术语
除非另外说明或存在矛盾之处，本文中使用的术语或短语具有以下含义：
本文所使用的术语“和/或”、“或/和”、“及/或”的可选范围包括两个或两个以上相关所列项目中任一个项目，也包括相关所列项目的任意的和所有的组合，所述任意的和所有的组合包括任意的两个相关所列项目、任意的更多个相关所列项目、或者全部相关所列项目的组合。
本文中，“一种或几种”指所列项目的任一种、任两种或任两种以上。其中，“几种”指任两种或任两种以上。
本文中，“优选”仅为描述效果更好的实施方式或实施例，应当理解，并不构成对本发明保护范围的限制。
本发明中，以开放式描述的技术特征中，包括所列举特征组成的封闭式技术方案，也包括包含所列举特征的开放式技术方案。
本发明中，涉及到数值区间，如无特别说明，则包括数值区间的两个端点。
本发明中涉及的百分比含量，如无特别说明，对于固液混合和固相-固相混合均指质量百分比，对于液相-液相混合指体积百分比。
本发明中涉及的百分比浓度，如无特别说明，均指终浓度。所述终浓度，指添加成分在添加该成分后的体系中的占比。
本发明中的温度参数，如无特别限定，既允许为恒温处理，也允许在一定温度区间内进行处理。所述的恒温处理允许温度在仪器控制的精度范围内进行波动。
以下结合具体实施例进行进一步说明，以下具体实施例中所涉及的原料，若无特殊说明，均可来源于市售，所使用的仪器，若无特殊说明，均可来源于市售。
实施例1
首先准备0.3g明胶，0.3g牛血清蛋白、0.08g交联剂京尼平和水；所述明胶为0.15gA型明胶和0.15g B型明胶。
明胶溶液的配置：将明胶加入冷水中，10min后加热，加热的温度不超过70℃，搅拌，直到明胶溶解，得到明胶溶液。
向明胶溶液中加入牛血清蛋白和京尼平，得到混合溶液，将该混合溶液加入到聚四氟乙烯模具中，明胶和牛血清蛋白在交联剂京尼平的作用下，26℃交联反应4h，得到明胶/牛血清蛋白复合水凝胶。
将该明胶/牛血清蛋白复合水凝胶于通风橱中干燥24h，干燥后获得纯净的明胶基水凝胶膜。
实施例2
首先准备0.3g明胶，0.15g牛血清蛋白、0.08g交联剂京尼平和水；所述明胶为0.15gA型明胶和0.15g B型明胶。
明胶溶液的配置：将明胶加入冷水中，10min后加热，加热的温度不超过70℃，搅拌，直到明胶溶解，得到明胶溶液。
向明胶溶液中加入牛血清蛋白和京尼平，得到混合溶液，将该混合溶液加入到聚四氟乙烯模具中，明胶和牛血清蛋白在交联剂京尼平的作用下，26℃交联反应4h，得到明胶/牛血清蛋白复合水凝胶。
将该明胶/牛血清蛋白复合水凝胶于通风橱中干燥24h，干燥后获得纯净的明胶基水凝胶膜。
实施例3
首先准备0.3g明胶，0.3g牛血清蛋白、0.08g交联剂京尼平和水；所述明胶为0.15gA型明胶和0.15g B型明胶。
明胶溶液的配置：将明胶加入冷水中，5min后加热，加热的温度不超过70℃，搅拌，直到明胶溶解，得到明胶溶液。
向明胶溶液中加入牛血清蛋白和京尼平，得到混合溶液，将该混合溶液加入到聚四氟乙烯模具中，明胶和牛血清蛋白在交联剂京尼平的作用下，10℃交联反应2h，得到明胶/牛血清蛋白复合水凝胶。
将该明胶/牛血清蛋白复合水凝胶于通风橱中干燥12h，干燥后获得纯净的明胶基水凝胶膜。
实施例4
首先准备0.3g明胶，0.3g牛血清蛋白、0.08g交联剂京尼平和水；所述明胶为0.15gA型明胶和0.15g B型明胶。
明胶溶液的配置：将明胶加入冷水中，20min后加热，加热的温度不超过70℃，搅拌，直到明胶溶解，得到明胶溶液。
向明胶溶液中加入牛血清蛋白和京尼平，得到混合溶液，将该混合溶液加入到聚四氟乙烯模具中，明胶和牛血清蛋白在交联剂京尼平的作用下，40℃交联反应10h，得到明胶/牛血清蛋白复合水凝胶。
将该明胶/牛血清蛋白复合水凝胶于通风橱中干燥48h，干燥后获得纯净的明胶基水凝胶膜。
实施例5
首先准备0.3g明胶，0.3g牛血清蛋白、0.08g交联剂京尼平和水；所述明胶为0.15gA型明胶和0.15g B型明胶。
明胶溶液的配置：将明胶加入冷水中，10min后加热，加热的温度不超过70℃，搅拌，直到明胶溶解，得到明胶溶液。
向明胶溶液中加入牛血清蛋白和京尼平，得到混合溶液，将该混合溶液加入到聚四氟乙烯模具中，明胶和牛血清蛋白在交联剂京尼平的作用下，30℃交联反应2h，得到明胶/牛血清蛋白复合水凝胶。
将该明胶/牛血清蛋白复合水凝胶于通风橱中干燥36h，干燥后获得纯净的明胶基水凝胶膜。
实施例6
首先准备0.3g明胶，0.3g牛血清蛋白、0.08g交联剂京尼平和水；所述明胶为0.15gA型明胶和0.15g B型明胶。
明胶溶液的配置：将明胶加入冷水中，18min后加热，加热的温度不超过70℃，搅拌，直到明胶溶解，得到明胶溶液。
向明胶溶液中加入牛血清蛋白和京尼平，得到混合溶液，将该混合溶液加入到聚四氟乙烯模具中，明胶和牛血清蛋白在交联剂京尼平的作用下，30℃交联反应4h，得到明胶/牛血清蛋白复合水凝胶。
将该明胶/牛血清蛋白复合水凝胶于通风橱中干燥36h，干燥后获得纯净的明胶基水凝胶膜。
实施例7
首先准备0.2g明胶，0.05g牛血清蛋白、0.005g交联剂京尼平和水；所述明胶为0.1gA型明胶和0.1g B型明胶。
明胶溶液的配置：将明胶加入冷水中，10min后加热，加热的温度不超过70℃，搅拌，直到明胶溶解，得到明胶溶液。
向明胶溶液中加入牛血清蛋白和京尼平，得到混合溶液，将该混合溶液加入到聚四氟乙烯模具中，明胶和牛血清蛋白在交联剂京尼平的作用下，26℃交联反应4h，得到明胶/牛血清蛋白复合水凝胶。
将该明胶/牛血清蛋白复合水凝胶于通风橱中干燥24h，干燥后获得纯净的明胶基水凝胶膜。
实施例8
首先准备0.5g明胶，0.5g牛血清蛋白、0.1g交联剂京尼平和水；所述明胶为0.25gA型明胶和0.25g B型明胶。
明胶溶液的配置：将明胶加入冷水中，10min后加热，加热的温度不超过70℃，搅拌，直到明胶溶解，得到明胶溶液。
向明胶溶液中加入牛血清蛋白和京尼平，得到混合溶液，将该混合溶液加入到聚四氟乙烯模具中，明胶和牛血清蛋白在交联剂京尼平的作用下，26℃交联反应4h，得到明胶/牛血清蛋白复合水凝胶。
将该明胶/牛血清蛋白复合水凝胶于通风橱中干燥24h，干燥后获得纯净的明胶基水凝胶膜。
实施例9
首先准备0.2g明胶，0.5g牛血清蛋白、0.005g交联剂京尼平和水；所述明胶为0.2gA型明胶。
明胶溶液的配置：将明胶加入冷水中，10min后加热，加热的温度不超过70℃，搅拌，直到明胶溶解，得到明胶溶液。
向明胶溶液中加入牛血清蛋白和京尼平，得到混合溶液，将该混合溶液加入到聚四氟乙烯模具中，明胶和牛血清蛋白在交联剂京尼平的作用下，10℃交联反应4h，得到明胶/牛血清蛋白复合水凝胶。
将该明胶/牛血清蛋白复合水凝胶于通风橱中干燥24h，干燥后获得纯净的明胶基水凝胶膜。
实施例10
首先准备0.4g明胶、0.5g牛血清蛋白、0.05g交联剂京尼平和水；所述明胶为0.4gB型明胶。
明胶溶液的配置：将明胶加入冷水中，10min后加热，加热的温度不超过70℃，搅拌，直到明胶溶解，得到明胶溶液。
向明胶溶液中加入牛血清蛋白和京尼平，得到混合溶液，将该混合溶液加入到聚四氟乙烯模具中，明胶和牛血清蛋白在交联剂京尼平的作用下，15℃交联反应8h，得到明胶/牛血清蛋白复合水凝胶。
将该明胶/牛血清蛋白复合水凝胶于通风橱中干燥36h，干燥后获得纯净的明胶基水凝胶膜。
对比例1
首先准备0.3g明胶、0.08g交联剂京尼平和水；所述明胶为0.15gA型明胶和0.15gB型明胶。
明胶溶液的配置：将明胶加入冷水中，10min后加热，加热的温度不超过70℃，搅拌，直到明胶溶解，得到明胶溶液。
向明胶溶液中加入京尼平，得到混合溶液，将该混合溶液加入到聚四氟乙烯模具中，明胶在交联剂京尼平的作用下，26℃交联反应4h，得到明胶水凝胶。
将该明胶水凝胶于通风橱中干燥24h，干燥后获得纯净的明胶基水凝胶膜。
效果评价1
分别以实施例1、实施例2和对比例1制得的水凝胶作为测试材料，将水凝胶在万能力学测试仪下测试其力学性能。所得力学数据如图1-6所示，图1显示的是使用对比例1制得的水凝胶膜的拉伸性能；图2显示的是使用对比例1制得的水凝胶膜的压缩性能；图3显示的是使用实施例1制得的水凝胶膜的拉伸性能；图4显示的是使用实施例1制得的水凝胶膜的压缩性能；图5显示的是使用实施例1制得的水凝胶膜的拉伸性能；图6显示的是使用实施例2制得的水凝胶膜的压缩性能；图7显示的是使用实施例2制得的水凝胶膜的贴敷性。
由图1至图7可以看出，实施例1、实施例2和对比例1在皮肤表面贴敷性好，可以适应皮肤的运动，具有一定的机械强度和相对稳定性。使用万能拉力机来表征水凝胶的机械强度，结果如表1所示。
表1水凝胶力学性能测试表
实施例1和2水凝胶的拉伸强度、断裂伸长率和拉伸断裂应力及破坏压缩应力均高于对比例1的水凝胶。值得注意的是，实施例2水凝胶拥有比对比例1的水凝胶和实施例1水凝胶更高的力学性能，这表明添加BSA可以增加明胶水凝胶在初始状态下的机械性能，而过量的BSA可能会降低水凝胶的化学交联。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种生物医用敷料，其特征在于，包括明胶基水凝胶膜，所述明胶基水凝胶膜由明胶、牛血清蛋白、交联剂和水制备得到，所述明胶、牛血清蛋白和交联剂的质量比为2-5：0.5-5：0.05-1，所述明胶、牛血清蛋白和交联剂的总质量和水的质量比为2-11：89-98；所述交联剂选自京尼平。
2.如权利要求1所述的生物医用敷料，其特征在于，所述明胶为A型明胶和/或B型明胶。
3.如权利要求2所述的生物医用敷料，其特征在于，所述A型明胶的胶强度为100-500 gBloom。
4.如权利要求1所述的生物医用敷料，其特征在于，所述明胶基水凝胶膜的制备方法包括如下步骤：将明胶溶于水后，加入牛血清蛋白和交联剂，反应，干燥后得到所述明胶基水凝胶膜。
5.如权利要求4所述的生物医用敷料，其特征在于，所述反应的温度为10-40℃。
6.如权利要求4所述的生物医用敷料，其特征在于，所述反应的时间为2-10 h。
7.如权利要求4所述的生物医用敷料，其特征在于，所述干燥的时间为12-48 h。
8.如权利要求4所述的生物医用敷料，其特征在于，所述反应于聚四氟乙烯模具中进行。
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