水凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种水凝胶及其制备方法和应用。水凝胶通过使结构性蛋白、楔试剂和交联剂经交联形成，楔试剂为与结构性蛋白疏水结晶区亲疏水性质相同或相近且与结构性蛋白疏水结晶区之间形成氢键作用的物质。本发明专利技术通过使楔式剂与结构蛋白分子交联形成水凝胶，可以有效抑制结构蛋白分子自组装，使水凝胶保持优异的透光性和力学性质。透光性和力学性质。透光性和力学性质。

【技术实现步骤摘要】
水凝胶及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种水凝胶及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]水凝胶是高分子材料通过一定的化学交联或物理交联形成的，是一种高吸水高保水材料，被广泛用于药物递送、组织再生材料、医学诊断等多种领域。物理交联是分子内或分子间通过氢键、极性键等物理力结合而形成网络结构，而化学交联是两种或者多种化合物由于基团之间产生化学键或者化学反应生成了新的高分子聚合物结构。这些高分子按其来源可分为天然和合成两大类，天然高分子由于其来源绿色、加工过程绿色，所得水凝胶具有更高的生物安全性和生物相容性，在大健康应用领域受到越来越高的重视。物理交联过程难以控制，凝胶硬度高而韧性不足；化学交联交联机制可设计性强，交联过程可控且凝胶具有优异的弹性。然而一些结构蛋白，如蚕丝蛋白、胶原蛋白、纤维蛋白和角蛋白等化学交联水凝胶，可以通过基质分子内或分子间形成二级结构交联，破坏化学交联水凝胶的优异性质，如透光性、弹性等。如Xiaolin Cui等(Rapid Photocrosslinking of Silk Hydrogels with High Cell Density and Enhanced Shape Fidelity)通过一种新型光催化提高双酪氨酸交联反应效率，从而提高酶催化(HRP/H2O2)丝素蛋白结构稳定性问题。Tao wang等(CN113549227A、Biomaterials,2022:121611.Intraarticularly injectable silk hydrogel microspheres with enhanced mechanical and structural stability to attenuate osteoarthritis.)通过新型BDDE交联反应大大提高丝素蛋白分子中参与交联反应氨基酸的种类，大大提高了丝素蛋白化学交联水凝胶结构稳定性。然而，该水凝胶经80％乙醇浸泡加速老化72小时后，其二级结构β折叠含量显著提高，水凝胶力学性质和透光性随之下降。
[0003]目前通过酶交联类、光交联类、二缩水甘油醚类等方式制备的结构性蛋白水凝胶，不能长时间保持高透光率、力学稳定、二级结构稳定，如Advanced healthcare materials,2020,9(4):1901667.Rapid photocrosslinking of silk hydrogels with high cell density and enhanced shape fidelity.用HRP/H2O2交联的蚕丝蛋白水凝胶在制备两周后，压缩模量由18KPa提升到166KPa(P＜0.0001)，并且这种水凝胶在交联35天后，β
‑
折叠含量由30.7
±
3.3％提升到42.7
±
2.7％。或者通过乙醇孵育、甲醇孵育、高温处理等方式处理后，水凝胶的透光率、力学、二级结构含量会有显著变化，如Intraarticularly injectable silk hydrogel microspheres with enhanced mechanical and structural stability to attenuate osteoarthritis.用HRP/H2O2交联的丝素蛋白水凝胶经80％甲醇孵育60min后，β
‑
折叠含量从14.31
±
2.25％提升至49.23
±
6.75％。这种现象会影响结构性蛋白水凝胶在组织工程和再生医学领域的使用，如人工角膜、ok镜等需要水凝胶具有高透光率，并且能长时间保持高透光率；如骨关节润滑需要水凝胶具有稳定的力学。而二级结构会直接影响到力学和透光率的大小，高β
‑
折叠含量会导致水凝胶硬度大、透光率差、降解速率慢，并且水凝胶硬度会影响细胞活动，如细胞分化、亲水性和水凝胶网络内细胞结合部位的可用
性等。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提高一种稳定性好的水凝胶及其制备方法和应用。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种水凝胶，通过使结构性蛋白、楔试剂和交联剂经交联形成，所述楔试剂为与所述结构性蛋白疏水结晶区亲疏水性质相同或相近且与所述结构性蛋白疏水结晶区之间形成氢键作用的物质。
[0007]现有的结构性蛋白水凝胶存在如下问题：第一，结构性蛋白水凝胶的透光率低或透光率稳定性差，例如透光率随时间延长而降低，再例如经醇或高温处理后，透光率下降明显；第二，结构性蛋白水凝胶的力学稳定性差(压缩模量、剪切模量、弹性模量等)；第三、结构性蛋白水凝胶二级结构稳定性差。本专利技术通过使用楔试剂，该楔试剂与结构蛋白二级机构核心区域亲疏水性质相同或相近，与该区域分子片段形成氢键相互作用，可以有效抑制结构蛋白二级机构核心区域的分子组装；再通过交联作用将楔式剂与结构蛋白分子交联形成复合水凝胶，可以有效抑制结构蛋白分子自组装，使水凝胶经醇处理后(加速老化)仍保持优异的透光性和力学性质，在药物递送、组织再生材料、医学诊断等多种领域具有更广阔的应用前景。
[0008]优选地，所述水凝胶在去离子水中浸泡3天后，晶体尺寸小于等于5nm，所述水凝胶在80％乙醇浸泡3天后，晶体尺寸小于等于7nm。
[0009]优选地，所述水凝胶在去离子水中透析3天，再在80％乙醇浸泡3天后，透光率占初始透光率的75％以上，在60％压缩形变量下压缩1000循环，压缩模量损失率≤35％。其中，初始透光率可以理解为新制备的水凝胶在去离子水中透析3天后测得的透光率。
[0010]进一步优选地，所述水凝胶在去离子水中透析3天，再在80％乙醇浸泡3天后，透光率占初始透光率的85％以上，在60％压缩形变量下压缩1000循环，压缩模量损失率≤25％。
[0011]一些优选的实施方式中，厚度为1mm的所述水凝胶初始透光率不低于60％，进一步不低于70％，更进一步不低于80％。
[0012]一些优选的实施方式中，所述水凝胶在60％压缩形变量下压缩1000循环，初始压缩模量损失率≤20％，例如20％、15％、10％、9％、8％、7％、6％、5％等。其中，初始压缩模量损失率可以理解为新制备的水凝胶的压缩模量损失率。
[0013]优选地，所述楔试剂的水接触角为θ1，所述结构性蛋白的水接触角为θ2，所述θ1的范围为(θ2‑
25.5
°
)～(θ2+25.5
°
)。
[0014]优选地，所述楔试剂选自纤维素类、高分子聚合物类、无机物类、改性材料类中的一种或多种。
[0015]一些具体的实施方式中，所述纤维素类包括甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、木质纤维素中的一种或多种。纤维素的分子量不作具体限制，作为优选，纤维素的分子量为100～1000KDa。
[0016]一些具体的实施方式中，所述高分子聚合物类包括聚乙烯醇、聚L
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水凝胶，其特征在于：所述水凝胶通过使结构性蛋白、楔试剂和交联剂经交联形成，所述楔试剂为与所述结构性蛋白疏水结晶区亲疏水性质相同或相近且与所述结构性蛋白疏水结晶区之间形成氢键作用的物质。2.根据权利要求1所述的水凝胶，其特征在于：所述水凝胶在去离子水浸泡3天后，晶体尺寸小于等于5nm，所述水凝胶在80％乙醇浸泡3天后，晶体尺寸小于等于7nm。3.根据权利要求1所述的水凝胶，其特征在于：所述水凝胶在去离子水透析3天，再在80％乙醇浸泡3天后，透光率占初始透光率的75％以上，在60％压缩形变量下压缩1000循环，压缩模量损失率≤35％。4.根据权利要求3所述的水凝胶，其特征在于：厚度为1mm的所述水凝胶初始透光率不低于80％；和/或，所述水凝胶在60％压缩形变量下压缩1000循环，初始压缩模量损失率≤20％。5.根据权利要求1所述的水凝胶，其特征在于：所述楔试剂的水接触角为θ1，所述结构性蛋白的水接触角为θ2，所述θ1的范围为(θ2‑
25.5
°
)～(θ2+25.5
°
)。6.根据权利要求1所述的水凝胶，其特征在于：所述楔试剂选自纤维素类、高分子聚合物类、无机物类、改性材料类中的一种或多种，所述纤维素类包括甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、木质纤维素中的一种或多种；所述高分子聚合物类包括聚乙烯醇、聚L
‑
谷氨酸钠中的一种或两种；所述无机物类包括碳纳米管；所述改性材料类包括木质素磺酸盐、疏水改性的透明质酸、疏水改性的羟乙基纤维素、疏水改性的明胶中的一种或多种。7.根据权利要求6所述的水凝胶，其特征在于：所述木质素磺酸盐包括木质素磺酸钠；所述疏水改性的透明质酸包括己二酸二酰肼接枝透明质酸、甲基丙烯酸化透明质酸中的一种或两种；所述疏水改性的羟乙基纤维素包括十二碳烯基琥珀酸酐疏水改性羟乙基纤维素；所述疏水改性的明胶包括甲基丙烯酰化明胶。8.根据权利要求1所述的水凝胶，其特征在于：所述楔试剂占所述结构性蛋白与楔试剂总质量的0.05％以上；和/或，所述水凝胶先通过使所述楔试剂和所述结构性蛋白在与能够破坏结构性蛋白二级结构的溶液的存在下接触后，再和所述交联剂经交联形成。9.根据权利要求1所述的水凝胶，其特征在于：所述结构性蛋白包括胶原蛋白、纤维蛋白、丝素蛋白、丝胶蛋白、角蛋白中的一种或多种。10.根据权利要求1所述的水凝胶，其特征在于：所述交联剂为有机溶剂类交联剂、酶促交联、活化剂、光交联剂中的一种或多种。11.根据权利要求10所述的水凝胶，其特征在于：所述有机溶剂类交联剂包括二缩水甘油醚类交联剂中的一种或多种；所述酶促交联包括辣根过氧化酶和过氧化氢；所述活化剂包括1
‑
乙基
‑3‑
(3
‑
二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、N...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑兆柱，曾庆红，刘萌，方岩，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：