衍生自天然来源的冷适应海洋物种的明胶聚合物及其用途制造技术

本发明专利技术涉及一种包括转而含有浓度为1％(w/v)至20％(w/v)的氨基酸链明胶聚合物的溶液的组合物，所述氨基酸链明胶聚合物衍生自天然来源的冷适应海洋物种且经化学官能化以变成具有反应性从而在自由基存在下进行聚合或交联，所述溶液还包含聚合引发剂，例如光引发剂。所述组合物尤其可用于3D打印、挤出系统(添加剂制造)、喷雾系统、浇铸、微纳米纤维制造系统(静电纺丝、溶液吹制纺丝)或微流控。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】衍生自天然来源的冷适应海洋物种的明胶聚合物及其用途
本专利技术涉及生物医学领域和消化行业，特别是涉及包括转而含有浓度为1％(w/v)至少20％(w/v)的氨基酸链明胶聚合物的溶液的组合物，所述溶液非必要地还包含光引发剂或任何其它类型的自由基衍生的引发剂，所述氨基酸链明胶聚合物衍生自天然来源的冷适应海洋物种并且经化学官能化以变成具有反应性从而在自由基存在下进行聚合或交联。这种组合物特别适用于生物医学和消化领域中使用的新型生物制造技术。
技术介绍
在生物医学领域中，新型生物制造技术允许制备用于治疗或诊断目的的生物材料，例如支架、珠粒、工程组织、器件和微器件。其中一些(生物制造或生物加工)技术包括使用诸如3D生物打印、挤出系统(添加剂制造)、喷雾系统、浇铸、微纳米纤维制造系统(静电纺丝、溶液吹制纺丝)和微流体等技术。在食品科学中，也使用这些技术中的一些，特别是挤出和喷雾系统。使用这些工艺或技术需要控制生物材料的聚集和聚合或交联状态。在这个意义上，生物材料最初以其液态进行处理，然后通过控制聚合/交联，获得更坚固的状态下的的最终产物。在这方面，这些技术的高性能功能高度依赖于生物材料在液态时的流变性质以及系统在转变为更坚固状态时的控制水平，同时考虑到在任何给定的特定应用中的最终产品的功能性取决于生物材料在固态时的机械、物理化学和生物学性质。换句话说，这些技术的高性能要求在聚合/交联之前有特定流变性质、对聚合/交联和聚合的或交联的生物材料的机械性质的控制。实际上，高精度生物加工技术(例如生物喷墨打印、喷涂和微流控衍生系统)需要能够控制生物材料的聚合/交联状态的组合物，该组合物具有特定的流变性质以允许形成非常小的液滴(pL)或避免微尺寸通道内的高流动阻力。因此，理想的组合物在交联/聚合之前将具有特定的流变性质(例如导致在进行生物3D打印时具有良好的喷射能力)并且一旦生物材料处于固态就将具有良好的机械性能。理想的组合物将在交联/聚合步骤之前具有：牛顿流体行为，粘度在25-10cP之间，并且在不同的剪切速率和/或温度下具有稳定性。优选地，理想的组合物还具有低表面张力(25-30mN/m)。生物医学领域需要许多影响治疗或诊断应用结果的物理化学和生物学特性。这些特性中的一些与细胞成分的微环境的控制和生物材料与特定生物响应中衍生的细胞的直接相互作用以及响应细胞生物学活性的生物材料的活性重塑有关。这些特性也被列为生物学上有意义的元素的控制传递、细胞相容性、生物活性和生物降解性。另一方面，在消化领域中，需要专门用于沉积食品涂料的有成本效益的技术，例如用于补充包封的维生素或其他活性化合物的喷雾系统或珠粒制造。不幸的是，由于迄今为止使用的大多数生物材料的流变性质和聚合/交联的控制未达到最优化，这两个领域在性能上都受到限制。近年来，人们对寻找明胶来源替代物来替代哺乳动物明胶(例如猪和牛)越来越感兴趣。特别地，已提出将鱼明胶作为替代物，但要克服的重要挑战是其流变性质差。这种限制归因于冷水鱼的胶原蛋白/明胶缺乏富含脯氨酸的区域(KarimAAetal:FoodHydrocolloids2009,23(3),563-576；Gomez-GuillénMCetal:FoodHydrocolloids2011,25(8)1813-1827)。为了提供机械性能提高的鱼明胶聚合物，先前已经报道分子内和分子间的交联诱导。ChiouBSetal:Polymer2006,47(18),6379-6386描述了向含明胶组合物中加入交联剂(即戊二醛和/或京尼平)的传统明胶交联方法。使用该策略获得最佳交联所需的时间在数小时至数天的范围内。此外，J.B.Yietal:JournalofFoodScience2006,71(9),E376-E383描述了使用酶促转谷氨酰胺酶(即MTGase)进行鱼明胶交联。该文献教导了通过用酶促转谷氨酰胺酶交联获得具有合适粘度的凝胶所需的时间在数分钟的范围内。相应地，需要获得具有适用于高精度生物加工技术的流变性质的明胶组合物，该组合物进一步交联并产生具有良好机械(压缩和/或拉伸)性能的组合物，优选地，其中交联时间减少到数秒到数分钟的范围，例如最多5分钟。因此，迫切需要用于这些技术的新型生物材料。因此，仍然需要新型高生物活性生物材料，其可以产生具有所需几何结构、生物和物理性质的结构复杂的支架，以在生物医学和食品中有最佳应用。
技术实现思路
在本专利技术中，我们提出使用衍生自天然来源的冷适应海洋物种的、并且在氨基酸序列中引入化学取代基(例如甲基丙烯酰基)的明胶聚合物(例如鲑鱼明胶)，，作为新型可光交联生物材料，该新型可光交联生物材料具有衍生自冷适应性质的独特的生物医学和食品工业特性。冷适应生物(如鲑鱼)的独特的特征是它们通常具有较高的蛋白结构柔韧性。在这个意义上，10％w/v鲑鱼明胶溶液显示出比牛明胶低4倍的粘度。该特性允许使用专门用于高分辨率3D打印或微流控衍生技术的制造技术，例如多点喷射或Polyjet技术，这些技术需要低粘度和快速聚合的生物材料。我们最初的工作假设指出，除了流变学的好处之外，鲑鱼明胶在分子水平上的更高的柔韧性可以提高MMP(金属蛋白酶)的催化效率。尽管基于这种新型生物材料的光学制备的水凝胶的机械韧性受到不希望有的损害，但这将改善体内细胞迁移/侵袭、血管生成和组织整合。然而，相比之下，我们观察到意想不到的事实：尽管由于鲑鱼明胶的较高柔韧性导致MMP的催化转换增加，并且与牛相比，基于改性鲑鱼明胶的水凝胶的分子柔韧性更高，但是鲑鱼水凝胶的机械性能显示出比牛更高的杨氏模量。另外，当与间充质干细胞、HUVEC结合并在皮下植入到小鼠模型中时，可光交联的鲑鱼明胶的水凝胶显示出更高水平的血管形成和组织整合。此外，衍生自天然来源的冷适应海洋物种的明胶聚合物(如鲑鱼明胶)在氨基酸序列中引入了化学取代基(如甲基丙烯酰基)，作为新型可光交联生物材料，构成了食品加工和保鲜的杰出组合物。因此，在第一方面，本专利技术涉及包括转而含有浓度为1％(w/v)至20％(w/v)的氨基酸链明胶聚合物的溶液的组合物，所述溶液还非必要地包含聚合引发剂(如光引发剂)，所述氨基酸链明胶聚合物衍生自天然来源的冷适应海洋物种且经化学官能化以变成具有反应性从而在自由基存在下进行聚合或交联。优选地，所述组合物包含浓度为5％(w/v)至20％(w/v)的氨基酸链明胶聚合物。更优选地，所述组合物还包含表面活性剂。又更优选地，所述组合物的氨基酸链明胶聚合物用选自以下的化学试剂官能化：甲基丙烯酰基、丙烯酰基或任何能够介导聚合物形成或与表面或其他分子反应的官能团或部分。官能团包括本文教导的各种基团和化学实体，并且包括烯基部分，例如丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、二甲基丙烯酸酯、低聚丙烯酸酯、低聚甲基丙烯酸酯、乙基丙烯酸酯，衣康酸酯或丙烯酰胺。另外的官能团包括醛类。其它官能团可包括烯键式不饱和单体，包括：例如丙烯酸或甲基丙烯酸的烷基酯，如甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸己酯、丙烯酸正辛酯、甲基丙烯酸月桂酯、甲基丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸壬酯、甲基丙烯酸苄酯；相同酸的羟烷基酯，如丙烯酸2-羟乙酯、甲基丙烯酸2-羟乙酯和甲基丙烯酸2-羟丙酯；相同酸的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种包括转而含有浓度为1％(w/v)至20％(w/v)的氨基酸链明胶聚合物的溶液的组合物，所述氨基酸链明胶聚合物衍生自天然来源的冷适应海洋物种，所述溶液还包含聚合引发剂，例如光引发剂并且其中所述氨基酸链明胶聚合物用选自甲基丙烯酰基或丙烯酰基的化学试剂进行化学官能化以变成具有反应性从而在自由基存在下进行聚合或交联。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.17 EP 16175153.21.一种包括转而含有浓度为1％(w/v)至20％(w/v)的氨基酸链明胶聚合物的溶液的组合物，所述氨基酸链明胶聚合物衍生自天然来源的冷适应海洋物种，所述溶液还包含聚合引发剂，例如光引发剂并且其中所述氨基酸链明胶聚合物用选自甲基丙烯酰基或丙烯酰基的化学试剂进行化学官能化以变成具有反应性从而在自由基存在下进行聚合或交联。2.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述溶液包含浓度为5％(w/v)至20％(w/v)的化学官能化氨基酸链明胶聚合物。3.根据权利要求1或2中任一项所述的组合物，其特征在于，所述氨基酸链用甲基丙烯酰基官能化。4.根据前述权利要求中任一项的组合物，其特征在于，所述明胶聚合物的氨基酸侧链用所述化学试剂官能化的程度为赖氨酸残基的30％至100％。5.根据权利要求4所述的组合物，其特征在于，所述明胶聚合物的氨基酸侧链用所述化学试剂官能化的程度为赖氨酸残基的至少80％，优选赖氨酸残基的至少85％。6.根据前述权利要求中任一项所述的组合物，其特征在于，所述聚合引发剂是光引发剂。7.根据前述权利要求中任一项所述的组合物，其特征在于，所述溶液在诱导凝胶化(物理交联)的温度下进行预处理，然后在自由基存在下诱导对聚合或交联具有反应性的基团进行共价交联。8.根据前述权利要求中任一项所述的组合物，其特征在于，所述明胶聚合物衍生自斑鳟属或太平洋鲑属。9.一种制备包括转而含有氨基酸链明胶聚合物的溶液的组合物的方法，所述氨基酸链明胶聚合物衍生自天然来源的冷适应海洋物种，优选衍生自斑鳟属或太平洋鲑属，浓度为1％(w/v)至20％(w/v)，优选5％(w/v)至20％(w/v)，所述溶液还非必要地包含聚合引发剂，并且其中所述氨基酸链明胶聚合物用选自甲基丙烯酰基或丙烯酰基的化学试剂进行化学官能化以变成具有反应性从而在自由基存在下进行聚合或交联，所述方法包括以下步骤：a、获得衍生自天然来源的冷适应海洋物种，优选衍生自斑鳟属或太平洋鲑属的氨基酸链明胶聚合物，并将其溶解在溶剂中，优选溶解在PBS或水中至终浓度在1％(w/v)至20％(w/v)之间，优选5％(w/v)至20％(w/v)；b、通过加入能够变成具有反应性以在自由基存在下进行聚合或交联的化学试剂，来对步骤a)的氨基酸链明胶聚合物的一级结构进行化学改性；c、除去步骤b)的溶液中所有未反应的化学试剂；d、非必要地加入自由基衍生的引发剂如光引发剂和/或表面活性剂。10.一种制备包括转而含有氨基酸链明胶聚合物的溶液的组合物的方法，所述氨基酸链明胶聚合物衍生自天然来源的冷适应海洋物种，优选衍生自斑鳟属或太平洋鲑属，浓度为1％(w/v)至20％(w/v)，优选5％(w/v)至...

【专利技术属性】
技术研发人员：哈维尔·恩里昂·卡塞雷斯，保罗·迪亚兹卡尔德隆，亚历山大·佐帕，胡安·巴勃罗·阿塞韦多·考克斯，
申请(专利权)人：洛斯安第斯大学，萧斯福细胞公司，
类型：发明
国别省市：智利,CL