玉米蛋白材料、制備方法及用途
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種谷物醇溶蛋白材料、制備方法及用途。谷物醇溶蛋白材料具有較高力學強度、透明度及合適的體內降解速率。本發(fā)明的谷物醇溶蛋白材料可以采用在水中加熱、在蒸汽中加熱、和干熱的方法獲得，加熱過程中所控制的溫度為30-160攝氏度，時間為1-120分鐘。處理后的谷物醇溶蛋白材料的力學強度和透明度得到提高、降解速率和溶脹率顯著降低，并具有穩(wěn)定的表面結構，不發(fā)生粘結。通過控制加熱溫度和時間，進而控制力學強度和降解速率，并達到抗溶脹的效果。處理后的谷物醇溶蛋白材料可用于生物醫(yī)用目的，以及細胞培養(yǎng)基材和微流體裝置。
【專利說明】玉米蛋白材料、制備方法及用途
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及谷物醇溶蛋白材料(包括但不限于玉米醇溶蛋白、小麥醇溶蛋白)，可通過水中、蒸汽加熱或干熱處理已成型的谷物醇溶蛋白的方法獲得，以提高力學強度、透明度及降低降解速率，特 別是通過控制加熱溫度和時間進而達到控制濕態(tài)環(huán)境下的力學強度、透明度和降解速率的目的，并且可以降低處理后的谷物醇溶蛋白材料溶脹率。本發(fā)明還涉及用此方法所獲得的蛋白材料的用途。
[0002]技術背景
[0003]天然生物材料包括膠原、明膠、海藻酸鈉和殼聚糖等，因其成本低廉、易于獲取、可降解和生物相容性較好等優(yōu)點，已應用于醫(yī)療保健領域，如軟骨替代物、植入骨材料、人造血管和人造皮膚等。但是，天然生物材料因為呈現出混合物的特征，在降解速率和力學強度的控制上無法媲美合成生物材料。因此如果能夠尋找到一種方法控制天然生物材料的降解速率和力學強度，即可大大擴展其應用范圍，在臨床上獲得更好的治療效果。
[0004]蛋白質是由多種氨基酸組成的天然高分子，分子間存在較強的氫鍵和二硫鍵相互作用。以蛋白質為基礎的生物材料的力學性能較差，需經過紫外輻照、熱聚合、酶處理或化學交聯(lián)等方法來提高材料的剛性、耐熱性和穩(wěn)定性?；瘜W交聯(lián)法最常用的甲醛或戊二醛因具有毒性，一般避免用在生物材料領域。熱處理作為物理方法，通過控制熱處理的溫度也可以控制蛋白質的力學強度和降解速率，而且與采用交聯(lián)劑的化學方法相比，可以避免有毒化合物的浸入，提高生物材料的安全性，減少后處理工序。
[0005]天然生物材料的力學性能在干態(tài)和濕態(tài)下有較大差異，植入體內的生物材料要求在濕態(tài)下也能保持較好的力學性能。例如，人造血管需要承受血流壓力和沖擊以免爆裂，而神經導管需要抵御外部肌肉組織的壓力以免塌陷。
[0006]具有較高透明度的聚合物已經被廣泛用于微流控和細胞培養(yǎng)裝置。但是，所用聚合物如聚二甲基硅氧烷和硅橡膠，細胞相容性不很理想，需要通過等離子注入或增加表面粗糙度等方法提高其細胞相容性。另一方面，以石油為原料的聚合物未來會面臨枯竭問題。同時，不可降解材料的大量使用會造成環(huán)境污染?；诖?，研發(fā)天然或合成的可降解材料，用于細胞培養(yǎng)基材和微流控裝置具有重要意義。
[0007]谷物醇溶蛋白是一種可降解天然生物材料，與人臍靜脈內皮細胞、人肝細胞和鼠成纖維細胞有很好的生物相容性?！網ang HJ, Lin ZX, Liu XM, Sheng SY, WangJY.Heparin-loaded zein microsphere film and hemocompatibility.J ControlRelease2005 ; 105:120-31.；Sun QS, Dong J, Lin ZX,Yang B, Wang JY.Comparison ofcytocompatibility of zein film with other biomaterials and its degradability invitr0.Biopolymers2005 ；78:268-74.】作為材料易于加工成型,如三維支架、二維薄膜、微球、管狀、纖維狀等，近年在生物醫(yī)用領域的研究報道日益增多。但是，由于谷物醇溶蛋白主要由疏水氨基酸組成，周圍環(huán)境例如相對濕度對其性質有很大影響。如水會造成其溶脹，這限制了它們在某些領域的應用。
[0008]濕熱滅菌是細胞培養(yǎng)中的通用滅菌方法，水可以作為蛋白結構的增塑劑。用高溫高壓的方法處理絲素蛋白可以改變其二級結構，增加β折疊結構比例?！綡u X, ShmelevK，Sun Lj Gil ES，Park SH，Cebe P，et al.Regulation of silk material structureby temperature-controlled water vapor annealing.Biomacromolecules 2011 ；12:1686-96 ；Um ICj Kweon HY，Park YH，Hudson S.Structural characteristics andproperties of the regenerated silk fibroin prepared from formic acid.1nt JBiol Macromol2001 ；29:91-7 ；Lawrence B，Omenetto F，Chui K，Kaplan D.Processingmethods to control silk fibroin film biomaterial features.JMater Sci 2008 ；43:6967-85.】同時 β 折疊與力學強度有關。Nishiyama【Nishiyama Y, Wada Mj KugaS，Magoshi J.Mechanical properties of silk fibroin - microcrystalline cellulosecomposite films.J Appl Polym Sci2002 ;86:3425-9.】等人發(fā)現在香絲蛋白中，β 折疊結構的出現增加了拉伸強度。同時，β折疊結構的增加降低了降解速率?！綞mmambuxMN，Taylor JR.Properties of heat-treated sorghum and maize meal and theirprolamin proteins.J Agric Food Chem2009 ;57:1045-50.】
[0009]基于上述背景文獻，為了進一步擴大谷物醇溶蛋白的應用范圍，首先需要克服其作為材料時本身的缺陷:如易于溶脹且溶脹后不透明、脆性偏大等。作為天然材料其可降解性一方面是優(yōu)點， 但在有些場合，例如用作細胞培養(yǎng)基材時要用胰酶消化細胞，這時需要阻止其降解。為了獲得力學強度、透明度和降解速率符合上述用途要求的以谷物醇溶蛋白為基材的生物材料提出了本發(fā)明。

【發(fā)明內容】

[0010]本發(fā)明的目的在于提供一種谷物醇溶蛋白材料，通過水中、蒸汽或干熱處理已成型的谷物醇溶蛋白材料顯著增加其在濕態(tài)下的力學強度、透明度，并顯著降低其降解速率?？赏ㄟ^控制加熱溫度進而達到控制降解速率和力學強度的目的。本發(fā)明的另一目的是提供該蛋白材料的用途。谷物醇溶蛋白材料可以是玉米醇溶蛋白、小麥醇溶蛋白。
[0011]將谷物醇溶蛋白材料系采用玉米醇溶蛋白或小麥醇溶蛋白固體粉末，溶解于40~90%的乙醇水溶液中，配成I~300mg/ml溶液，將該溶液反復涂布在模具上形成薄膜、板或管，將所得到的玉米醇溶蛋白或小麥醇溶蛋白薄膜、板或管直接或浸泡在純凈水中(如二次蒸餾水中)，于60-130°C及蒸汽滅菌的壓力條件下處理20-120分鐘；或在飽和水汽下于30-60°C處理1-4周；或在100-160°C干熱條件下處理1_60分鐘，成為玉米醇溶蛋白或小麥醇溶蛋白材料。
[0012]本發(fā)明的上述處理過程推薦在密閉空間中進行；通常涂布在模具上形成薄膜、板或管控制成型即可，厚度為20-1000微米，涉及透明度大于90%時，常常控制厚度為20-200 微米。
[0013]首先用玉米醇溶蛋白為例進行研究，結果發(fā)現，玉米醇溶蛋白經過蒸汽加熱處理后，其力學強度、透明度顯著提高，其降解速率明顯降低。這些性質的改進可以使玉米醇溶蛋白材料作為生物醫(yī)用材料被應用于血管、神經導管等組織工程領域，加上良好的透明性還可以用于細胞培養(yǎng)基材和微流控裝置。本發(fā)明還發(fā)現不論是在水中還是在蒸汽中加熱或者干熱，均可以提高玉米醇溶蛋白在濕態(tài)環(huán)境下的力學強度、透明度和降低其降解速率，并且可以通過控制加熱溫度和加熱時間來達到控制力學強度和降解速率的目的。【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]表1是處理前后的玉米蛋白材料的軸向拉伸、徑向拉伸和牽拉拉伸的最大力學強度(η = 3)。
[0015]圖1A是處理后的玉米蛋白材料和未處理的玉米蛋白材料的胰酶降解曲線，B是經過2，4，6，8天酶解后的外形照片?？v坐標Degradation of tubes即管子的降解率；橫坐標為降解時間。
[0016]圖2是處理后的玉米蛋白材料和未處理的玉米蛋白材料的溶脹與透明度結果。A和a是經過處理的玉米蛋白材料樣品，B和b是未處理的玉米蛋白樣品，A和B是干燥狀態(tài)下拍攝的，a和b是溶脹后拍攝的。
[0017]圖3是分光光度計檢測的玉米蛋白薄膜對光的透過率，Al和A2為干態(tài)下的檢測結果，BI和B2為濕態(tài)下的檢測結果(η = 3)?？v坐標Transmittance即透光率；橫坐標為Wavelength (波長)。Untreated代表未處理樣品！Treated代表處理后樣品。
[0018]圖4是處理后的玉米蛋白材料(Treated)和未處理的玉米蛋白材料(Untreated)的溶脹率的差異?？v坐標Swelling ratio即溶脹率；橫坐標為溶脹時間。
[0019]圖5是NIH3T3細胞在培養(yǎng)板上(左)和處理后的玉米蛋白材料表面(右)的增殖情況(第5天)。
【具體實施方式】
[0020]為了更好的理解本發(fā)明，下面將通過實施例和性能實驗進一步闡述本發(fā)明。實施例一
[0021]材料1、90%乙醇的水溶液；2、玉米醇溶蛋白
[0022]步驟:
[0023]稱取一定質量玉米醇溶蛋白固體粉末，溶解于90%的乙醇水溶液中，配成IOOmg/ml溶液，將該溶液反復涂布在板(管)形模具上，最終得到壁厚50-200微米的玉米醇溶蛋白薄膜(管)。最后將所得到的玉米醇溶蛋白薄膜(管)浸泡在二次水中，蒸汽加熱(121°C，105kPa, 20 分鐘)。
[0024]實施例二
[0025]材料1、75%乙醇的水溶液；2、玉米醇溶蛋白
[0026]步驟:
[0027]稱取一定質量玉米醇溶蛋白固體粉末，溶解于75%的乙醇水溶液中，配成300mg/ml溶液，將該溶液反復涂布在板(管)形模具上，最終得到壁厚800微米的玉米醇溶蛋白薄膜(管)。最后將所得到的玉米醇溶蛋白薄膜(管)飽和水汽下處理(30°C，4周)。
[0028]實施例三
[0029]材料1、40%乙醇的水溶液；2、玉米醇溶蛋白
[0030]步驟:
[0031]稱取一定質量玉米醇溶蛋白固體粉末，溶解于40%的乙醇水溶液種，配成lmg/ml溶液，將該溶液反復涂布在板(管)形模具上，最終得到壁厚500微米的玉米醇溶蛋白薄膜(管)。最后將所得到的玉米醇溶蛋白薄膜(管)浸泡在二次水中，加熱(90°C，120分鐘)。[0032]實施例四
[0033]材料1、60%乙醇的水溶液；2、玉米醇溶蛋白
[0034]步驟:
[0035]稱取一定質量玉米醇溶蛋白固體粉末，溶解于60%的乙醇水溶液中，配成40mg/ml溶液，將該溶液反復涂布在板(管)形模具上，最終得到壁厚20微米的玉米醇溶蛋白薄膜(管)。最后將所得到的玉米醇溶蛋白薄膜(管)加熱(160°C，60分鐘)。
[0036]性能實驗一
[0037]對實施例一獲得的玉米蛋白材料的力學強度進行了研究。處理方法為浸泡于二次水中，并置于121°C，105kPa的蒸汽滅菌鍋中，處理時間為20分鐘。比較處理和未處理的樣品的力學強度的差異，分別檢測徑向拉伸、軸向拉伸和串線后牽拉。從表1的數據可以看出，處理后的樣品的力學強度顯著高于未處理的樣品。
[0038]表1軸向拉伸、徑向拉伸和牽拉拉伸的最大力學強度(η = 3)
【權利要求】
1.一種谷物醇溶蛋白材料，其特征是采用谷物醇溶蛋白固體粉末，溶解于40~90%的乙醇水溶液中，配成I~300mg/ml溶液，將該溶液反復涂布在模具上形成薄膜、板或管，將所得到的谷物醇溶蛋白薄膜、板或管通過在水中加熱、蒸汽加熱或干熱的方法處理。
2.如權利要求1所述的谷物醇溶蛋白材料，其特征是所述的谷物醇溶蛋白材料是玉米醇溶蛋白、小麥醇溶蛋白。
3.—種如權利要求1所述的谷物醇溶蛋白材料的制備方法，其特征是將所得到的谷物醇溶蛋白薄膜、板或管，直接或浸泡在純凈水中蒸汽加熱，于60-130°C及蒸汽滅菌的壓力條件下處理20-120分鐘；或在飽和水汽下于30-60°C處理1-4周；或在100_160°C干熱條件下處理1-60分鐘，成為玉米醇溶蛋白或小麥醇溶蛋白材料。
4.如權利要求3所述的方法，其特征是所述的純凈水是二次蒸餾水。
5.如權利要求3所述的方法，其特征是所述的薄膜、板或管的厚度為20-1000微米。
6.如權利要求3所述的方法，其特征是所述的加熱處理過程均在密閉空間中進行。
7.—種如權利要求1所述的谷物醇溶蛋白材料用于食品和生物醫(yī)用材料、細胞培養(yǎng)基材和微流控裝置。
8.如權利要求1所 述的谷物醇溶蛋白材料用途，其特征是所述的生物醫(yī)用材料為可降解神經導管、可降解人造血管。
【文檔編號】C12N5/00GK103948961SQ201410174746
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月28日 優(yōu)先權日:2014年4月28日
【發(fā)明者】王瑾曄, 韓亦龍 申請人:上海交通大學