[发明专利]一种电聚丝素水凝胶膜的制备方法、装置及其应用

说明书

技术领域

本发明提供一种在水或缓冲液中将带正或负电荷的生物高分子在一个直流电场作用下快速自组装成电聚丝素水凝胶膜（ESFHM）的方法与加工装置。本发明也与医用组织工程材料的制备方法与组成有关。

背景技术

利用天然的丝素蛋白的生物相容性特点加工成医用组织工程材料是当前研发热点之一。丝纤维是常见的蛋白质高分子聚合物，包括蜘蛛丝、家蚕丝、蓖麻蚕丝、柞蚕丝等等。

目前常用的丝纤维通常是指某些鳞翅目昆虫家蚕生产的一种蛋白纤维。这种蛋白纤维主要由丝素蛋白纤维和被覆在其周围的胶状丝胶蛋白组成。当被覆在纤维外面的丝胶蛋白人为去除后，蚕丝丝素蛋白纤维因具有轻飘、舒适、吸放湿性强、柔软、弹性和染色艳丽等特性，自古以来是纺织材料，常被誉为纺织纤维的皇后。近年，因其生物相容性、可缓慢降解性与优异的机械特性，常用于生物医用材料尤其是医用组织工程材料的研究与开发。这些医用材料的研究与开发往往基于脱胶的丝素纤维经过高盐溶液溶解后制成的再生液态丝素而实现的。这种液态丝素易受环境条件的影响制成各种形态的丝素生物材料如丝素膜、凝胶、再生纤维、粉末或纳米颗粒以及3D支架等。经过简单的物理或化学处理，这种再生丝素蛋白的结构也容易从无规卷曲转变成α-螺旋（Silk I）或β-折叠（Silk II）结构，这些加工特性就为丝素蛋白开发成为性能优异的生物医用组织工程材料创造了得天独厚的有利条件。

蚕丝丝素是一种独特的丝素蛋白，通过溶解、脱盐纯化制成液态丝素后，它可以从其天然形态重新改变出其它各种形状或形态。利用再生液态丝素通过多种物理或化学方法如水分挥发等制成丝素蛋白膜已有许多报道和专利申请，将这种液态丝素冻结后进行冷冻干燥制成多孔结构的丝素膜（CN1260363）。近十年来，对丝蛋白特别是丝素蛋白的开发利用已大大超出其原有传统的纺织纤维和医用缝合线的经典用途。例如，水凝胶(WO2005/012606；PCT/US08/65076)、超薄膜(WO2007/016524)、厚膜, 保形涂层(WO2005/000483； WO2005/123114)、微球(PCT/US2007/020789)、3D多孔基质(WO2004/062697)、固形物(WO2003/056297), 微流装置(PCT/US07/83646; PCT/US07/83634), 电-光装置 (PCT/US07/83639)、从纳米级(WO2004/0000915)到几厘米(U.S. Pat. No. 6902932)的再生纤维用于生物医用材料和再生医药(WO2006/042287； US20070212730； PCT/US08/55072)，甚至是纳米级颗粒或药物缓释的固定化酶/药物纳米颗粒(WO 2005/085327；WO2007/112679)。尤其是在低压电场作用下丝素蛋白在正极附近转变成丝素电凝胶，这种电凝胶主要可以用于医用生物胶水等领域（US20110171239A1或WO2010036992A2）。

丝素溶液加工成为一定形态和质地的丝素生物材料要求特定的探索和个性研发技术。例如，电纺是一个产生纳米级纤维的过程，这种纤维常加工成垫子和管状结构的物品。在这个电纺加工工艺中，常用10 KV～20 KV范围的高压电用来驱动针头中丝素溶液的快速喷射，从而加速凝固成亚微米直径的固体纤维。这种工艺可以平稳堆积成类似于无纺布结构的层状材料（Li et al., Biomaterials. 27: 3115-24, 2006）。而在电凝胶加工工艺中，浸在高浓度的（常用浓度9%）再生丝素溶液中的正负电极，在低压电场（直流电或交流电）如24.8 V电场作用下，丝素分子在正极周围产生电凝胶，这种丝素电凝胶可以用作医用生物胶粘剂（Yucel et al., J Struct. Biol. 170 (2010) 406–412），当电场极性相反时，正极周围产生丝素凝胶又转变称为液态的丝素溶液。所以，电凝胶加工过程中，丝素溶液与丝素凝胶的转变是可以可逆的。也有报道通过电泳沉积技术来制备水凝胶膜（Zhang et al.,Journal of Materials Chemistry. 2011, 21, 7705）。将丝素溶液和壳聚糖溶液混合成电泳液，使用钛合金板作为电极，在4℃，5v/cm^-2的条件下恒压30 s，就可获得丝素-壳聚糖凝胶状涂层材料，这些凝胶涂层材料可以用于细胞培养，也可以作为一种有效的药物载体。

发明内容

本发明所要解决的问题是克服现有技术存在的不足，提供一种具有柔软、弹性特性的纳米多孔性或网络结构的丝素水凝胶膜的制备方法、装置及其应用。