一种羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶的制备及作为药物载体的应用

摘要

本发明提供了一种羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶的制备，属于复合材料领域及生物技术领域。本发明以羽毛角蛋白、海藻酸钠为天然高分子原料，N-异丙基丙烯酰胺为温敏性单体，N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，过硫酸铵或过硫酸铵钾为引发剂，采用互穿网络技术制备而得。所制得角蛋白-海藻酸钠复合高分子水凝胶具有微孔结构，而且具有温度、pH敏感性，生物相容性好，对小分子药物可以实现控制释放。体外药物释放性能实验表明，利用羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶的酸敏性可实现药物分子的可控释放，因此可作为药物载体应用在生物医学领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种角蛋白基高分子复合材料，尤其涉及一种羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶的制备；本发明同时还涉及该复合高分子双敏感水凝胶作为药物载体的应用，属于复合材料领域及生物技术领域。

背景技术

作为动物体表坚韧结构（毛发、角、甲、壳等）元件的角蛋白，蛋白链之间的二硫桥（-S-S-）使其具有刚性结构。但是，二硫桥也使得角蛋白的消化与降解相当困难，因此，未经降解的角蛋白难以作为饲料使用。目前，绝大部分羽毛角蛋白废弃物只是采用垃圾填埋或焚烧的方式处理，会导致环境污染，不符合可持续发展的理念。

近年来，发现通过改性、复合等方法，可将角蛋白作为生物材料使用。如：将角蛋白溶于离子液体，可制备生物医学工程用角蛋白材料，如CN201110037377、CN201410264014、CN201410263648、CN201410264035、CN201410263650；角蛋白与不同材料（如：聚对苯二甲酸乙二酯、聚己内酯、聚氨酯、丝素蛋白）复合，制备一系列复合材料。CN201110219761通过共沉淀法制备了磷灰石/角蛋白复合支架。CN201310449267、CN201310452852公开角蛋白通过原位聚合，可以制备用于药物载体的角蛋白基高分子水凝胶。

近年来，对外界环境具有刺激（如：温度、酸碱度、光、电、声等）响应性的智能材料已经从基础研究走向应用研究。兼具温度和pH值双重敏感特性的水凝胶，作为一种新型的高分子生物材料正日益受到关注。医用水凝胶材料需要具有优异的生物相容性。为了克服无规共聚法和核壳结构法制备的pH/温度双重刺激响应性微凝胶存在的缺陷，将pH敏感性单体和温度敏感性单体通过接枝、嵌段共聚引入某些酸、碱基团或采用互穿网络技术合成pH/温度双重敏感性水凝胶。

发明内容

本发明的目的是提供以一种羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶的制备方法。

本发明的另一目的是提供该羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶作为药物载体在药物控制释放中的应用。

一、羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶的制备

本发明羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶的制备，是以羽毛角蛋白、海藻酸钠为天然高分子原料，N-异丙基丙烯酰胺为温敏性单体，N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，过硫酸铵或过硫酸铵钾为引发剂，采用互穿网络技术制备而得。具体制备工艺如下：

将0.1~5.0 g羽毛角蛋白溶于2~20 mL的分散液中，在惰性气体保护下，加入还原剂，于30~65℃搅拌还原反应10~60 min；再加入0.1~2 g海藻酸钠，0.1~5 g温敏性单体，有机交联剂，混合均匀后加入引发剂和促进剂，继续搅拌反应0.5~3 h；然后于60~85℃下静置3~6 h；分别用乙醇、水洗涤，冷冻干燥，得羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶。

上述羽毛角蛋白为从废弃家禽羽毛中提取的羽毛角蛋白，具体制备工艺及性能见专利ZL200810150653.2；

所述分散液为尿素溶液或稀碱溶液（如氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液等），浓度为 0.8~8 mol/L。

所述还原剂为二硫苏糖醇或巯基乙醇，其加入量为2~200 mg。

所述温敏性单体为N-异丙基丙烯酰胺。

所述惰性气体为氮气、氩气或二氧化碳气体。

所述有机交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺，其加入量为0.025~0.25 g。

所述引发剂为过硫酸铵或过硫酸铵钾，其加入量为1.5~150 mg。

所述促进剂为四甲基乙二胺；加入量为0.1~10 mg。

二、羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶的结构表征

1、宏观形貌

本发明制备的羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶为白色多孔状固体材料，其宏观形貌如图1。

2、扫描电镜分析

图2为羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶的扫描电镜图。从微观扫描电镜可以看出，本发明制备的羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶为典型的微孔凝胶，因此可以很好的将药物负载于孔结构中。角蛋白、海藻酸钠两种天然高分子的存在，将有利于不同分子量药物的负载，从而具有良好的载药性能。

3、红外光谱分析

图3为羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶的红外光谱图。图3的结果表明：1650 cm^-1附近出现了酰胺羰基特征峰，这归属于温敏性单元N-异丙基丙烯酰胺和交联剂（N,N-亚甲基双丙烯酰胺）；1610 cm^-1、1528 cm^-1、1232 cm^-1附近出现了角蛋白分子的酰胺I、II、III带的特征吸收峰，在1700 cm^-1 附近出现了海藻酸中的C=O伸缩振动吸收峰，在1100 cm^-1处出现海藻酸中C-O的伸缩振动吸收。说明羽毛角蛋白、海藻酸钠、聚N-异丙基丙烯酰胺有效复合。

4、热重分析

图4为本发明制备的羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶的热重曲线（测试条件：N₂保护，升温范围：25~800℃，升温速度：10℃/min）。结果表明，羽毛角蛋白的失重区间较宽（200~500℃），但主要失重温度是230~350℃。海藻酸钠的主要失重区间为160~300℃，而羽毛角蛋白复合高分子双敏感水凝胶的主要失重区间为130~330℃。说明羽毛角蛋白的存在，大幅度提高复合高分子双敏感水凝胶的热稳定性。

三、羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶的性能测试

1、溶胀行为

为了评价羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶作为生物材料的适合性，测试了体温（37℃）状态下，微孔凝胶在不同模拟生物溶液中的溶胀率。结果表明：微孔凝胶在水、D-葡萄糖溶液和生理盐水中的溶胀率比海藻酸钠的高，说明羽毛角蛋白的加入提高了水凝胶的溶胀性能。

另外，测试了体温下（37℃）羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶在水中的再次溶胀行为，结果表明，本发明制备的羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶可以再次溶胀，进行重复利用。

2、温度、pH响应性

为了评价水凝胶对温度的敏感性，测试了羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶在不同温度下的溶胀率，结果如图7所示。可以看出：平衡溶胀率在5℃时最低，在35℃时达到最大值；35℃之后溶胀率逐渐降低。说明水凝胶对温度具有一定的敏感性。

为了评价水凝胶对pH的敏感性，测定了不同pH值溶液中的溶胀率变化，并研究复合高分子双敏感水凝胶的pH响应性，结果如图8所示。结果表明：平衡溶胀率在pH=1.2中最低，在pH=10.0时达到最大值，pH > 10.0之后溶胀率逐渐降低，在强酸性或碱性溶液中溶胀度会大幅度下降。说明该复合高分子双敏感水凝胶具有酸敏性。总之，角蛋白-海藻酸钠复合高分子水凝胶是对温度、pH双敏感的水凝胶。

3、体外药物释放性能

以羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶为药物载体，选用小分子抗癌药物盐酸阿霉素，考察了复合高分子双敏感水凝胶的体外释放性能。首先，在人体温度（37℃）下，考察了不同pH值的环境，即胃液（pH=1.2）、肠液（pH=8.4）、血液（pH=7.4），复合高分子双敏感水凝胶的释放性能。结果如图9所示。结果表明：酸性条件下释放速度慢，12 h时最大释放率为69.4%；弱碱性条件下，释放速度较快，最大释放率为65.3%；中性条件下，释放速度最快，16 h后累积释放率可达78.6%。说明在中性条件下（血液环境）释放速度快，而弱碱性环境中（肠液）释放速度最慢。因此，说明可利用凝胶的酸敏性实现药物分子的可控释放。

其次，选定中性条件（pH=7.4），考察复合高分子双敏感水凝胶在不同温度下，对盐酸阿霉素的释放性能，结果如图10所示。在较高温度下（42℃），复合高分子双敏感水凝胶释放速度最大，20 h后，其累积释放率最大，可达90.4%；在体温环境（37℃）下，复合高分子双敏感水凝胶对盐酸阿霉素的累积释放率降低，20 h后可达（88.0%）；在室温（25℃）下，复合高分子双敏感水凝胶的释放速率最小，对盐酸阿霉素的累积释放率20 h后达到最大值（74.4%）。说明利用凝胶的温敏性，也可以实现药物分子的可控释放。

另外，实验中还考察了温度、pH值对凝胶释放大分子药物性能的影响，发现释放性能与上述规律一致。当用大分子药物时，其规律与盐酸阿霉素相似。

综上所述，本发明制备的羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶，具有良好的溶胀和退溶胀性能，这种互穿聚合物网络水凝胶既具有pH敏感性又具有温度敏感性，是一种智能高分子水凝胶，对小分子药物可以实现控制释放，因此可作为药物载体应用在生物医学领域。

附图说明

图1为羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶的宏观形貌。

图2为羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶的扫描电镜图。

图3为羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶的红外谱图。

图4为羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶的热重曲线。

图5为羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶在不同模拟生物溶液中的溶胀率。

图6为体温下（37℃）羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶在水中的再次溶胀行为。

图7为羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶在不同温度下的溶胀率。

图8为羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶在不同pH值溶液中的溶胀率。

图9为不同pH值溶液中，羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶对药物的体外释放性能。

图10为不同温度下，羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶对药物的体外释放性能。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶的制备和性能作进一步说明。

实施例1

将0.1 g羽毛角蛋白溶于2mL的0.8mol/L的尿素溶液中，在惰性气体保护下，加入还原剂2 mg二硫苏糖醇，于30℃搅拌还原反应60 min；加入0.1 g海藻酸钠，0.1g温敏性单体N-异丙基丙烯酰胺，0.025N,N-亚甲基双丙烯酰胺，混合均匀后加入1.5 mg过硫酸铵，0.5 mg四甲基乙二胺，搅拌反应0.5h；于60℃下静置6 h；分别用乙醇、水洗涤，干燥，即得羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶。该高分子双敏感水凝胶在体温环境（37℃）下，对盐酸阿霉素的累积释放率为  75 %。

实施例2

将1.0 g羽毛角蛋白溶于5 mL的0.1 mol/L的尿素溶液中，在惰性气体保护下，加入还原剂20 mg二硫苏糖醇，于45℃搅拌还原反应20  min；加入0.5g海藻酸钠，0.5 g温敏性单体N-异丙基丙烯酰胺，0.05g N,N-亚甲基双丙烯酰胺，混合均匀后加入15mg过硫酸铵或过硫酸铵钾，1 mg四甲基乙二胺，搅拌反应1h；于85℃下静置3 h；分别用乙醇、水洗涤，干燥，即得羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶。该高分子双敏感水凝胶在体温环境（37℃）下，对盐酸阿霉素的累积释放率为 79 %。

实施例3

将2.0 g羽毛角蛋白溶于10 mL的2 mol/L的氢氧化钠溶液中，在惰性气体保护下，加入还原剂50 mg巯基乙醇，于65℃搅拌还原反应30 min；加入1.0 g海藻酸钠，1.0 g温敏性单体N-异丙基丙烯酰胺，0.1g N,N-亚甲基双丙烯酰胺，混合均匀后加入50 mg过硫酸铵钾，2 mg四甲基乙二胺，搅拌反应2h；于70℃下静置4h；分别用乙醇、水洗涤，干燥，即得羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶。该高分子双敏感水凝胶在体温环境（37℃）下，对盐酸阿霉素的累积释放率为 82 %。

实施例4

将3.0 g羽毛角蛋白溶于15 mL的5 mol/L的尿素溶液中，在惰性气体保护下，加入还原剂100 mg巯基乙醇，于30℃搅拌还原反应50  min；加入1.5g海藻酸钠，2.5 g温敏性单体N-异丙基丙烯酰胺， 0.15g N,N-亚甲基双丙烯酰胺，混合均匀后加入100 mg过硫酸铵，4 mg四甲基乙二胺，搅拌反应3h；于60℃下静置6 h；分别用乙醇、水洗涤，干燥，即得羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶。该高分子双敏感水凝胶在体温环境（37℃）下，对盐酸阿霉素的累积释放率为 70 %。

实施例5

将5.0 g羽毛角蛋白溶于20 mL的8 mol/L的尿素溶液中，在惰性气体保护下，加入还原剂200 mg二硫苏糖醇，于65℃搅拌还原反应10 min；加入2 g海藻酸钠， 5 g温敏性单体N-异丙基丙烯酰胺， 0.25g N,N-亚甲基双丙烯酰胺，混合均匀后加入150 mg过硫酸铵，8.5 mg四甲基乙二胺，搅拌反应3h；于60℃下静置5 h；分别用乙醇、水洗涤，干燥，即得羽毛角蛋白-海藻酸钠复合高分子双敏感水凝胶。该高分子双敏感水凝胶在体温环境（37℃）下，对盐酸阿霉素的累积释放率为 73 %。