丝素蛋白/角蛋白复合材料的制备与性能研究

摘要

角蛋白是一类来源广泛，具有优异的生物相容性、生物降解性的天然高分子材料，它在可再生新材料、组织工程以及生物医药等领域具有广阔的应用前景。然而，再生角蛋白材料在提取过程中，受到还原剂、溶胀剂等的作用，分子间氢键、二硫键等被破坏，导致再生角蛋白材料力学性能较差，这已成为阻碍其应用的瓶颈问题。　　与再生蛋白质材料相比，天然存在的蛋白质材料，如蜘蛛丝、蚕丝、羊毛，均具有优异的力学强度。这些蛋白质材料具有相似的化学组成，但在化学结构上，羊毛纤维以仅_helix构象为主，蜘蛛丝和蚕丝则呈规整的p.sheet构象，而再生蛋自质在解构提取过程中，受到溶胀、还原剂等的影响，规整的分子构象结构被破坏。蛋白质材料二级构象及其排列规整程度是影响材料力学性能的重要因素。因此，若能着眼于结构决定性质，在介观尺度上调控再生角蛋白分子链构象，进而提高材料的力学性能，对于攻克再生角蛋白材料力学性能差这一难题、扩大其应用领域具有重要的指导意义。　　本课题针对再生角蛋白材料力学性能差的缺陷，从介观分子构象结构调控入手，以具有规整β-sheet构象的丝素蛋白为调控因素，诱导角蛋白介观分子构象转变，实现提升再生角蛋白材料力学性能的效果。系统研究了角蛋白与丝素蛋白相互作用的调控规律，揭示了介观尺度分子结构转变与材料宏观力学性能表现的关系，掌握增强再生角蛋白力学性能的科学方法。在此基础上，制备了不同形式的再生角蛋白材料，并研究了其应用性能。首先，采用溶胀.还原法以动物羽毛为原料提取了角蛋白，并采用溴化锂溶解法提取了丝素蛋白。以丝素蛋白调控角蛋白的介观结构，利用丝素蛋白中的β-sheet为模板，将角蛋白中的random coil诱导转变为β-sheet结构，以此来改变角蛋白材料的宏观性能。研究发现，丝素蛋白的添加能够使得呈random coil构象的角蛋白分子链向β-sheet结构转变，且随着β-sheet结构含量的增加，角蛋白材料的拉伸强度、结晶度、抗水溶性能等均得到提高，这为角蛋白基复合材料性能的可控调节奠定了基础。角蛋白分子结构中富含氨基、羧基等官能团，这些官能团可作为重金属离子、染料的吸附位点，使得角蛋白适合作为吸附材料。论文研究的第二部分在上述研究的基础上，利用丝素蛋白对角蛋白二级结构的调控规律制备了增强的角蛋白基水凝胶材料，研究了丝素蛋白的添加对材料介观结构和宏观性能的影响。将得到的性能较好的丝素蛋白/角蛋白水凝胶作为吸附剂使用，研究其对活性染料和重金属离子的吸附性能，发现水凝胶对活性艳蓝KN-R和Cu2+以及Pb2+具有较大的吸附量，分别为482.43mg/g，483.15mg/g和525.80mg/g，是一种具有应用前景的新型吸附剂材料。　　由于角蛋白具有优异的生物学特性，论文的第四部分制备了一种具有较好力学强度的角蛋白基药物缓释材料。利用丝素蛋白对角蛋白的构象调控作用，进一步结合醛基化纤维素微晶的增强和交联作用，制备了力学性能较好的药物缓释材料。研究了醛基化纤维素微晶用量对材料力学性能、抗水溶性等的影响，以及醛基化纤维素微晶增强后的多孔膜材料不同pH值条件下的释药行为，发现该多孔膜对药物的缓释呈pH敏感性。在pH值为1.2的条件下，多孔膜对负载的药物释放十分缓慢，在起初的450min内对负载的阿司匹林和吲哚美辛释放量分别为44.94％和42.84％。而在pH值为7.4的环境中，对负载的阿司匹林和吲哚美辛释放行为较为明显，在初始的450min内便可达到86.56％和94.91％的释放量。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2不同种类的角蛋白

1．2．1羊毛角蛋白

1．2．2人发角蛋白

1．3角蛋白的结构与性质

1．4角蛋白基复合材料的研究进展

1．4．1角蛋白／有机无机纳米颗粒复合材料

1．4．2角蛋白／合成高分子复合材料

1．4．3角蛋白／天然高分子复合材料

1．5丝素蛋白结构及其应用研究进展

1．5．1丝素蛋白的结构与性质

1．5．2丝素蛋白的应用研究

1．5．3丝素蛋白／角蛋白复合材料的研究进展

1．6本课题的研究内容及意义

1．6．1立题背景及意义

1．6．2课题的研究内容

第二章丝素蛋白／角蛋白复合膜的制备与结构表征

2．1引言

2．2实验部分

2．2．1实验材料、药品和仪器

2．2．2角蛋白的提取及表征

2．2．3丝素蛋白的提取及表征

2．2．4复合膜材料的制备

2．2．5复合膜的性能测试与表征

2．3结果与讨论

2．3．1角蛋白以及丝素蛋白结构表征

2．3．2复合膜的外观及透光率

2．3．3复合膜的力学性能

2．3．4复合膜的二级结构表征

2．3．5复合膜的降解性能

2．3．6复合膜的耐水稳定性

2．3．7复合膜的SEM形貌表征

2．4本章小结

第三章丝素蛋白／角蛋白水凝胶的制备及其吸附性能研究

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1实验药品、材料和仪器

3．2．2丝素蛋白／角蛋白水凝胶制备

3．2．3丝素蛋白／角蛋白水凝胶的表征

3．2．4丝素蛋白／角蛋白水凝胶染料及金属离子吸附性能表征

3．3结果与讨论

3．3．1丝素蛋白／角蛋白水凝胶的机械性能

3．3．2丝素蛋白／角蛋白水凝胶的吸水性能

3．3．3丝素蛋白／角蛋白水凝胶的结构表征

3．3．4丝素蛋白／角蛋白水凝胶的染料吸附性能

3．3．5丝素蛋白／角蛋白水凝胶的染料吸附机理

3．3．6丝素蛋白／角蛋白水凝胶的金属离子吸附性能

3．4本章小结

第四章丝素蛋白／角蛋白多孔膜的制备及其作为药物载体应用性能研究

4．1引言

4．2实验部分

4．2．1实验材料、药品和仪器

4．2．3醛基纤维素纳米微晶(DCNC)的表征

4．2．4多孑L膜形貌测试

4．2．6多孔膜药物缓释性能测试

4．3结果与讨论

4．3．1 DCNC的结构表征

4．3．2多孔膜的制备

4．3．3多孔膜外观形貌

4．3．4多孔膜耐水稳定性

4．3．5多孑L膜结构表征

4．3．6多孔膜力学性!能

4．3．7多孔膜药物缓释性能

4．4本章小结

第五章结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢