酪蛋白/角蛋白自组装复合胶束的可控制备及应用性能研究

摘要

目前合成高分子材料在各个领域得到了广泛的应用，其不但消耗有限的石油资源，且难以自然降解，产生的污染物对环境会造成严重的破坏。正因为如此，近年来天然高分子材料作为一种可降解的环境友好型材料越来越多的得到了人们的重视。蛋白质属于天然高分子化合物，目前人们已经利用其自组装特性来制备纳米材料和具有新功能特性的材料。本课题主要涉及两种天然蛋白质：酪蛋白与角蛋白。为了以这两种蛋白为模型研究生物体外不同蛋白之间自组装规律，拓展通过自组装技术制备以酪蛋白为基础的应用型复合胶束，本课题使用酪蛋白与角蛋白这两种不同的蛋白，通过控制组装条件制备出形貌、粒径及亲疏水性可控型复合胶束，并对其结构、特性及形成机理进行了研究，并且对其在生物膜制备及药物缓释方面的应用性能进行了初步探讨，为今后深入系统的研究可控型蛋白复合胶束打下了一定的基础，主要研究工作包括以下几个方面：
　　(1)采用Na2S还原法制备含有巯基的角蛋白溶液，采用酸沉淀法对其进行了分离，采用等电聚焦，超滤与透析的方法提纯了不同等电点的羊毛角蛋白。研究了体系沉淀pH值、沉淀温度及沉淀时间对角蛋白产率的影响。结果显示，羊毛角蛋白在体系pH值为2.0，沉淀温度为5℃，沉淀时间为3h的条件下产率最大，达到62.8％。研究了不同等电点羊毛角蛋白的分布与产率。依据组装需要选择了等电点为3.0和5.5的角蛋白组分作为组装材料，这两种角蛋白的产率分别为12.5%及5.8%。其半胱氨酸含量分别为21.45%及2.57%，重均分子量分别为13355Da和6191Da。此法得到的可溶角蛋白分子量较大，结构比较完整，链段活性基团较多，具备了与酪蛋白形成典型自组装复合胶束的能力。
　　(2)采用二硫键固定法及酶固定法分别制备了稳定的酪蛋白/角蛋白 pI3.0组分纳米复合胶束及酪蛋白/角蛋白 pI5.5组分复合胶束。采用扫描电子显微镜、原子力显微镜、动态光散射法、微分热重法等对复合胶束特性进行了表征。在组装温度为20℃，酪蛋白与角蛋白质量比为4:1，酪蛋白/角蛋白pI3.0组分与酪蛋白/角蛋白pI5.5组分蛋白浓度分别为1.5mg/mL及3mg/mL时，所组装制备的复合胶束呈球形。酪蛋白/角蛋白 pI3.0组分复合胶束的粒径范围在50~80nm之间，酪蛋白/角蛋白pI5.5组分复合胶束的粒径范围在100~200nm之间。复合固定前后其热性能发生了显著变化。经过氧化固定法制备的酪蛋白/角蛋白pI3.0组分复合胶束其热稳定性要高于经过酶固定法制备的酪蛋白/角蛋白pI5.5组分复合胶束。复合胶束具有良好的稀释稳定性、存储稳定性、冻干稳定性及热稳定性。酪蛋白/角蛋白pI5.5组分复合胶束制备过程中可以形成分子量范围在43~200KDa的大分子聚合物。
　　(3)通过控制蛋白溶液组装浓度和组装质量比制备了球形、立方体形、蠕虫形、囊泡形、海胆形、珊瑚簇状和混杂形貌的复合胶束。通过控制链段组成，制备了酪蛋白/角蛋白pI3.0组分复合纳米胶束及粒径范围在100~200nm范围内的酪蛋白/角蛋白pI5.5组分复合胶束。当增加蛋白浓度及减小酪蛋白与角蛋白组装质量比时，可以制备疏水性逐渐增强的复合胶束。当组装温度从20℃逐渐增加到60℃时，复合胶束会从球形转变为立方体形，其亲水性会不断增强。
　　(4)酪蛋白与角蛋白分子链在溶液中聚集形成复合胶束的过程分为静电复合、亲疏水性相互作用形成壳核结构及胶束结构固定三个阶段。在固定酪蛋白/角蛋白pI3.0组分复合胶束时会涉及到巯基的氧化及双硫键的重建过程，所形成的双硫键网络可以将酪蛋白组分穿插固定。在固定酪蛋白/角蛋白pI5.5组分复合胶束时会涉及到不同蛋白分子之间酰胺交联键的形成过程。对酪蛋白与角蛋白分子链在溶液中聚集形成复合胶束的过程进行了介观动力学模拟，同时发现酪蛋白与角蛋白 pI3.0组分组装体系能较快地达到体系平衡。使用拉曼光谱、远紫外及近紫外 CD光谱对复合胶束形成过程中蛋白分子二、三级结构变化进行了研究，同时，对制备的复合胶束在不同pH值及温度下蛋白分子的二、三级结构变化进行了研究。研究结果显示当酪蛋白与角蛋白 pI3.0组分质量比为4:1时，所形成的复合胶束中肽链α-螺旋和β-折叠比例较高，所形成的复合胶束二、三级结构比较稳定，并且在pH值6.0~11.0，温度20~50℃的范围内具有较高的结构稳定性。
　　(5)将制备的酪蛋白/角蛋白 pI5.5组分纳米复合胶束用于制备生物膜，通过低浓度制备组装复合胶束溶液，再浓缩至高浓度的方法制备了酪蛋白/角蛋白pI5.5组分复合胶束膜。研究发现经过组装程序制备的复合胶束膜比未经过组装制备的复合胶束膜，机械性能得到了提高，其中当酪蛋白与角蛋白组装质量比为4:1时，伸长率提高了38%，抗张强度提高了32%。组装效应使膜表面疏水性得到了提高，膜的水汽透过率、透气性、总溶解物以及透光率指标降低。经过组装制备的复合胶束膜的断面结构要比未经过组装制备的膜致密且光滑。膜的有关性能的改变与复合胶束的结构与聚集模式存在密切的联系，质量比为4:1时所形成的球形复合胶束对膜的性能及表观结构改变效果最为显著。
　　(6)将制备的酪蛋白/角蛋白 pI3.0组分纳米复合胶束用于包埋疏水性药物β–胡萝卜素。结果显示，包埋有β–胡萝卜素的酪蛋白/角蛋白复合胶束粒径范围在50~90nm之间，当β–胡萝卜素与复合胶束质量比为2:1时其载药量达到最大，为35.3%。复合胶束纳米粒子在模拟胃肠液中具有一定的缓释功能，在16h内，其在模拟胃液中的累积释放量为12.39%，在模拟肠液中的累积释放量为3.08%。包埋有β–胡萝卜素的复合胶束纳米粒子具有良好的冻干稳定性、稀释稳定性、胃肠pH值稳定性及存储稳定性。

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1文献综述

1.1前言

1.2 酪蛋白胶束的可控性组装研究进展

1.3角蛋白的可控性组装研究进展

1.4 课题的提出及意义

2.羊毛角蛋白pI3.0和pI5.5组分的分离与分析

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 小结

3. 酪蛋白/角蛋白自组装复合胶束的制备及表征

3.1引言

3.2实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 小结

4. 酪蛋白/角蛋白自组装复合胶束制备的可控性

4.1引言

4.2实验部分

4.3 结果与讨论

4.4小结

5. 酪蛋白/角蛋白自组装复合胶束的结构及形成机理

5.1引言

5.2实验部分

5.3 结果与讨论

5.4小结

6酪蛋白/角蛋白自组装复合胶束的成膜性能

6.1 引言

6.2 实验部分

6.3 结果与讨论

6.4 小结

7酪蛋白/角蛋白复合胶束的药物包埋及释放能力

7.1 引言

7.2 实验部分

7.3 结果与讨论

7.4 小结

8 结论

8.1 结论

8.2 创新点

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文目录

致谢

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