具有互穿網絡結構的角蛋白/甲基丙烯酸-β-羥乙酯復合水凝膠的制備及應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種角蛋白高分子復合水凝膠的制備，尤其涉及一種具有互穿網絡結構的角蛋白/甲基丙烯酸-P-羥乙酯復合水凝膠的制備；本發明同時還涉及該角蛋白/甲基丙烯酸-P-羥乙酯復合凝膠作為藥物載體的應用，屬于復合材料領域及生物醫用材料技術領域。
【背景技術】
[0002]隨著科技進步，藥物控制釋放體系的研究已引起人們越來越廣泛的重視。通過高分子藥物控制釋放體系，使藥物在載體系統中達到時間或空間上的控制釋放，保持藥物在血液中對疾病治療所需的最適濃度，避免常規給藥中，血藥濃度偏高時中毒，偏低時治療無效的問題。
[0003]互穿聚合物網絡(IPN)是20世紀70年代發展起來的一種新型高分子材料，也稱為互穿網絡聚合物，是由兩種或更多具有獨立結構和獨立性質的不同聚合物組成的一種混合物。由于IPN材料中兩種或兩種以上的聚合物網絡相互纏結、互穿而不失去原聚合物固有的特性，從而獲得其它聚合物無法比擬的獨特性能。由于其具有強迫互容性，因而能使不完全互容的聚合物可被人為的從動力學角度控制相分離程度，從而產生特殊的“協同效應”，致使其機械、熱學和阻尼等性質在特定組成下出現極值。因此，使材料兼備兩種聚合物的優異性能。IPN結構可改變天然高分子易脆、不耐水等缺點，從而為天然高分子的改性提供新途徑。
[0004]水凝膠是一種高分子網絡體系，性質柔軟，能保持一定的形狀，能吸收大量的水。由不同種類的蛋白質制備成互穿聚合物網絡水凝膠可有效提高合成高分子材料的血液相容性和生物活性，因而在生物醫用領域的用途被受到關注。CN102977534A公開了一種海藻酸鈉與聚雙丙酮丙烯酰胺互穿網絡凝膠的制備，并用于藥物載體，克服了海藻酸鈉對疏水性藥物負載量不高的缺點。CN103113700，CN104004231，CN1757662A，CN102382267A 公開的具有互穿網絡結構的水凝膠材料具有優異的力學強度、抗菌和保濕性能、生物相容性。
[0005]羽毛角蛋白作為一種資源豐富且價格低廉的天然高分子材料，具有良好的生物相容性、可降解性和疏水性，以及胱氨酸含量較多而具有理化特性，但其易被蛋白酶分解且機械性能較差。因此，可通過改性來拓寬羽毛角蛋白的應用領域。目前對羽毛角蛋白的改性主要是通過加入其它高分子材料以改變其結構，從而有效地改善其力學性能和生物相容性。
[0006]甲基丙烯酸-羥乙酯(HEMA)中含有親水性基團(-0H)和疏水性基團(_CH3)，是一種應用廣泛的功能性單體。聚甲基丙烯酸-P-羥乙酯(PHEMA)作為一種傳統的生物基礎材料，具有良好的生物相容性，被廣泛應用于補齒、藥物緩釋、燒傷涂覆、器官移植、接觸鏡制造、細胞培養及生物分子與酶固定化等方面。因此，以生物相容的天然高分子羽毛角蛋白與功能性單體甲基丙烯酸-P-羥乙酯為原料，通過控制聚合方式、工藝和產品的形式，得到具有互穿網絡結構的高分子復合材料，兼備兩種聚合物的優異性能，有望而成為一種新型的高分子生物材料。
【發明內容】
[0007]本發明目的是利用角蛋白和甲基丙烯酸-P-羥乙酯的性質，提供一種具有互穿網絡結構的角蛋白/甲基丙烯酸-P-羥乙酯復合水凝膠的制備方法；
本發明另一目的是提供該互穿網絡結構的角蛋白/甲基丙烯酸-P-羥乙酯復合水凝膠的應用一一作為藥物載體應用在藥物控制釋放中。
[0008]—、具有互穿網絡角蛋白復合水凝膠的制備
本發明具有互穿網絡結構角蛋白復合水凝膠的制備，是以天然高分子角蛋白與功能性單體甲基丙烯酸-0-羥乙酯為原料，在交聯劑、引發劑作用下進行自交聯聚合而得。具體制備工藝如下:
在惰性氣體保護下，將0.1?3.0 g羽毛角蛋白分散于5?30 mL的尿素溶液或稀堿溶液中，升溫至50?85°C，攪拌使角蛋白完全溶解；加入還原劑10?100 mg，攪拌10?50 min ;加入I?5 mL甲基丙稀酸-輕乙酯，攪拌反應I?5 h ;加入50?200 mg交聯劑I混合均勾；加入10?150 mg引發劑，攪拌20?50 min ;再加入0.1?1.0 mL交聯劑II，繼續攪拌反應5?30 min ;然后將反應液于40?100°C下靜置3?8 h ;用乙醇、水浸泡、洗滌，干燥，即得到角蛋白/甲基丙烯酸-P-羥乙酯復合水凝膠。
[0009]上述羽毛角蛋白為從廢棄家禽羽毛中提取的羽毛角蛋白，具體制備工藝及性能見專利 ZL200810150653.2。
[0010]所述尿素溶液或稀堿溶液的濃度為0.8?8 mol/Lo
[0011]所述還原劑為二硫蘇糖醇或巰基乙醇。
[0012]所述交聯劑I為亞甲基雙丙烯酰胺，交聯劑II為戊二醛。
[0013]所述引發劑為過硫酸銨或過硫酸鉀。
[0014]惰性氣體為氮氣、氬氣或二氧化碳氣體。
[0015]所述干燥方法為冷凍干燥。
[0016]二、角蛋白/甲基丙烯酸-P-羥乙酯復合水凝膠的結構表征 1、宏觀形貌
圖1為本發明制備的角蛋白/甲基丙烯酸-0-羥乙酯復合水凝膠的宏觀形貌。由圖1可見，角蛋白復合水凝膠為具有互穿網絡結構的多孔狀固體材料。
[0017]2、紅外圖譜
圖2為本發明制備的具有互穿網絡結構角蛋白復合水凝膠的紅外吸收光譜圖。圖2中，在1650 cm \ 1528 cm \ 1232 cm 1附近出現了蛋白的特征吸收峰(酰胺1、I1、III帶)，在1700 cm1附近出現了聚甲基丙烯酸-々-羥乙酯中C=O的伸縮振動吸收峰，說明聚甲基丙烯酸-P-羥乙酯與角蛋白有效復合。
[0018]3、熱重分析
圖3為本發明制備的具有互穿網絡結構角蛋白復合水凝膠的熱重曲線。圖3的結果顯示，角蛋白復合水凝膠的失重區間為300°C?430°C，與原料羽毛角蛋白、聚甲基丙烯酸-P-羥乙酯相比，說明合成高分子聚甲基丙烯酸-P-羥乙酯的存在，大幅度提高了互穿聚合物網絡凝膠的熱穩定性。
[0019]4、掃描電鏡
圖4為本發明制備的角蛋白復合水凝膠的掃描電鏡圖。通過掃描電鏡可看出，聚合物中大分子在三維空間以不同方式鑲嵌，相互貫穿形成交織的網絡結構，并且網狀結構上還有多層大小不均一的孔狀結構。說明角蛋白與聚甲基丙烯酸-P-羥乙酯形成的互穿網絡復合水凝膠可很好的將藥物負載在網絡結構孔中，并有利于不同分子量藥物的負載，具有良好的載藥性能。
[0020]三、角蛋白復合水凝膠的性能測試 1、溶脹行為
為了評價具有互穿網絡結構角蛋白復合水凝膠作為生物材料的適用性，測試了體溫(37°C)條件下，角蛋白復合水凝膠在不同模擬液中的溶脹率(圖5)。圖5結果表明:角蛋白復合水凝膠在水、義葡萄糖溶液及生理鹽水中的溶脹率比聚甲基丙烯酸-P-羥乙酯均聚物高，說明羽毛角蛋白的加入提高了水凝膠的溶脹性能。
[0021]另外，測試了體溫(37°C)條件下角蛋白復合水凝膠在水中的再次溶脹行為。結果如圖6所示:第一次吸水并干燥后的水凝膠持水率為86.2%，表明角蛋白復合水凝膠可在水中再次溶脹。
[0022]2、溫度、pH敏感性
測試了復合水凝膠在不溫度下在水溶液中的溶脹率(圖7)。圖7結果表明，溫度對復合水凝膠溶脹率的影響不明顯。實驗中又測試了復合水凝膠在不同PH值溶液中的溶脹率，結果如圖8所示:在酸性環境中復合水凝膠溶脹率較小；隨？11升高，其溶脹率逐漸提高；當pH=7.4時，其溶脹率達到最大值；當pH > 7.4，溶脹率反而降低，說明該復合水凝膠具有pH敏感性。
[0023]3、體外藥物釋放性能
以復合水凝膠為藥物載體，選用小分子抗癌藥物(鹽酸阿霉素)，考察了其體外藥物釋放性能。在人體溫度(37°C)下，考察了不同pH值時復合水凝膠的釋放性能:即胃液CpH=L 2)、腸液(pH=8.4)、血液(ρΗ=7.4)，結果如圖9所示。可見在pH= 1.2時釋放速度較慢，16 h時釋放率為71.9% ;在弱堿性條件下(pH=8.4)，16 h時釋放率為9