專利名稱：由可溶性s－磺化的角蛋白衍生物制備生物高分子薄膜、纖維、泡沫及粘合劑材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及可溶性角蛋白衍生物的制備、其在制造生物高分子材料如薄膜、纖維、泡沫材料和粘合劑中的應用以及通過進一步化學處理來改進那些材料。
背景技術：
角蛋白是一類廣泛出現(xiàn)在生物結構中的結構蛋白，尤其是在高等脊椎動物的上皮組織中。角蛋白可分成兩大類，軟角蛋白(soft keratin)(出現(xiàn)在皮膚和少數(shù)其它組織中)和硬角蛋白(hard keratin)，后者形成甲、爪、毛發(fā)、角(鳥和爬蟲動物)、羽毛和鱗片。
所述硬角蛋白又可以再細分為結構類型如α-角蛋白、β-角蛋白或者羽毛角蛋白。所述α-角蛋白和β-角蛋白在其蛋白質(zhì)中具有不同的主結構基元，前者是基于蛋白質(zhì)鏈α螺旋二級結構的超分子結構，后者是β-折疊片基元。
所有角蛋白均以高水平含硫二氨基酸胱氨酸為特征，作為蛋白質(zhì)鏈之間的交聯(lián)點。這種高水平的胱氨酸鏈內(nèi)交聯(lián)為所述角蛋白，尤其是硬角蛋白提供韌性、耐久性、耐降解性以及所需機械性能。胱氨酸含量在所述角蛋白中變化很大，反映出其機械性能的變化。
毛發(fā)就是硬α角蛋白的例子。但是，即使在給定α-角蛋白中也存在許多結構蛋白類型，且所述機械性能是許多不同類型蛋白質(zhì)的復雜超分子組織，形成具有相應復雜機械行為的復雜形態(tài)的結果。
本發(fā)明的目的是提供來自可溶性角蛋白衍生物的生物高分子材料，以及制造所述生物高分子材料的方法。
發(fā)明概述本發(fā)明主要提供來自本文所述S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)的呈薄膜、纖維、泡沫材料或粘合劑形式的材料。所述S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)可以來自毛角蛋白，并富含于中間絲狀蛋白質(zhì)。
本發(fā)明另一方面提供由S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)形成薄膜的工藝方法，其中，澆注所述蛋白質(zhì)溶液，并蒸發(fā)溶液中的溶劑，從而形成蛋白質(zhì)薄膜。
所用溶液可以為水基，包括一部分的有機溶劑。
由這種工藝方法制備的薄膜本身可溶于水中，或者溶于澆注所述薄膜所用的溶劑混合物中。
本發(fā)明另一方面說明了一種提高薄膜(所述工藝方法制得的)的濕強度的方法，所述方法通過使用化學試劑如硫醇和膦來除去磺酸鹽基團，使在蛋白質(zhì)薄膜中形成二硫鍵。所述二硫鍵為所述薄膜提供濕強度。
也描述了另一種提高薄膜(由所述工藝方法制得的)的濕強度的方法，其中，使用酸性溶液來處理所述蛋白質(zhì)薄膜，并通過使所述蛋白質(zhì)中磺酸鹽基團以及任何其它合適極性基團的工藝，所述薄膜成為不溶于水，并具有顯著的濕強度。
本發(fā)明另一方面描述了通過使用如在蛋白質(zhì)改性中常用的那些交聯(lián)劑來將交聯(lián)引入薄膜(由所述工藝方法制得的)中，該交聯(lián)以所述蛋白質(zhì)中存在的官能團為目標。
本發(fā)明另一方面是使用包含如下混合物的溶液制備蛋白質(zhì)薄膜的方法S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)和還原性角蛋白蛋白質(zhì)或包含反應性半胱氨酸殘基的肽。將兩種物質(zhì)混合形成交聯(lián)的角蛋白網(wǎng)絡結構，使蛋白質(zhì)薄膜具有良好的濕強度性能。這種將S-磺化和還原性角蛋白混合的方法也可以用于制備角蛋白纖維、泡沫材料和粘合劑。
本發(fā)明另一方面是制備角蛋白纖維的方法，所述方法通過從噴絲頭中將包含S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)的溶液擠出到凝固浴中，使所述蛋白質(zhì)變成不溶。特別是，所述凝固浴可以包含還原劑如硫醇或膦，用于除去蛋白質(zhì)中的磺酸鹽基團，從而形成二硫鍵。此外，所述凝固浴可以包含交聯(lián)劑如甲醛或者戊二醛，使得所述蛋白質(zhì)一接觸凝固浴就變成不溶。此外，所述凝固浴可以處于酸性pH值，這也會使所述蛋白質(zhì)溶液變成不溶。
本發(fā)明另一方面是制備角蛋白纖維的方法，所述方法通過從噴絲頭中將包含S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)的溶液擠出到熱環(huán)境中，由此，所述溶劑迅速除去，纖維狀角蛋白材料留下。通過這種方式制得的纖維可以再進行濕化學處理，通過形成交聯(lián)或者與上述用于角蛋白薄膜相同的方式使所述蛋白質(zhì)質(zhì)子化來提高所述纖維的濕強度。
本發(fā)明另一方面是通過冷凍干燥S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)溶液來制備角蛋白泡沫材料的方法。以這種方法形成的泡沫材料可以使用和上述用于角蛋白薄膜類似的方法進行改性，即通過使用還原劑如硫醇或膦來除去S-磺酸鹽基團，通過使用還原性角蛋白蛋白質(zhì)或肽來除去所述S-磺酸鹽基團，通過使用酸性溶液使所述S-磺酸鹽基團和蛋白質(zhì)質(zhì)子化，或者通過使用交聯(lián)劑如甲醛和戊二醛來進行蛋白質(zhì)改性。
本發(fā)明另一方面是許多角蛋白基粘合劑，它包含至少部分S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)溶液?？梢酝ㄟ^使用還原劑如硫醇或膦，使這些粘合劑具有優(yōu)越的濕強度?；蛘?，可以通過使用還原性角蛋白蛋白質(zhì)或者還原性角蛋白肽，形成交聯(lián)的網(wǎng)絡結構，由此提供濕強度。這兩組試劑可以形成“兩組分”粘合劑。
可以通過使用增塑劑如來自甘油或聚乙二醇類的增塑劑來改變所述方法制得的薄膜、纖維、泡沫材料和粘合劑的柔性。
本發(fā)明另一方面是提供薄膜、纖維、泡沫或粘合劑材料，它來自高分子量的角蛋白衍生物，如PCT/NZ02/00125所述。所述蛋白質(zhì)角蛋白源可以是天然存在的蛋白質(zhì)源。
本發(fā)明另一方面是提供薄膜、纖維、泡沫或粘合劑材料，它來自高S-磺化角蛋白中間絲蛋白質(zhì)、可溶性角蛋白肽或者由不純蛋白質(zhì)源制得的幾乎不或不損害蛋白質(zhì)結構完整性的純化蛋白質(zhì)，如PCT/NZ02/00125所述。
本發(fā)明另一方面提供一種用于從S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)制備薄膜、纖維、泡沫或粘合劑材料的工程溶液混合物。
本發(fā)明另一方面提供由大規(guī)?；厥辗椒ㄖ频玫牡鞍踪|(zhì)而制備的薄膜、纖維、泡沫或粘合劑材料。
優(yōu)選實施例的說明本發(fā)明的特征是具體引用了一些以來自毛的硬α-角蛋白為基礎的方法和應用。但是，所述原理可以同樣完全適用于其它α-角蛋白，或者任何能產(chǎn)生中間絲(IF)類型蛋白質(zhì)的角蛋白源。
本申請人已經(jīng)將類似的制備方法用于其它角蛋白源如羽毛，由此制備能同樣完全適用于以下所述一些應用的材料。本發(fā)明的特征是要覆蓋這種角蛋白的應用，以及那些并不取決于α-類型蛋白質(zhì)(IF蛋白質(zhì))存在與否的應用。這包括以β或羽毛角蛋白為基礎的制備方法可以和IF蛋白質(zhì)混合的應用。
硬角蛋白常有的韌性和不溶性是許多工業(yè)材料所需的性能。此外，角蛋白材料是可生物降解的，并且從可持續(xù)來源制備，因此，它們具有很大的潛力作為許多應中石油基聚合物的替換產(chǎn)品，用于許多應用如薄膜、纖維和粘合劑。其在化妝和個人護理中的應用也已經(jīng)很好確立，并提到使用本說明書中提到的那些材料可以延伸作為醫(yī)用材料。
雖然任何其它動物纖維、或角、或蹄同樣完全作為所需蛋白質(zhì)的來源，但是硬α-角蛋白的方便來源是毛。毛包含約95％角蛋白，它大致可以分成三種蛋白質(zhì)類型。所述中間絲狀蛋白質(zhì)通常分子量高(45-60kD)，具有部分纖維三級結構，且半胱氨酸含量為6％。它們占據(jù)毛纖維的約58質(zhì)量％，雖然該質(zhì)量僅有部分的結構實際是形成螺旋。所述毛纖維中約26％的高及超高含硫蛋白質(zhì)的結構為球狀，分子量范圍為10-40kD，并包含高達30摩爾％的半胱氨酸。所述高甘氨酸-酪氨酸蛋白質(zhì)是包含6％毛纖維的小類，其分子量為10kD，以高含量甘氨酸和酪氨酸氨基酸殘基為特征。
來自不同類毛角蛋白的蛋白質(zhì)具有在特殊應用中為其提供獨特優(yōu)點的特征。
本發(fā)明很大程度上涉及中間絲蛋白質(zhì)的應用，以及它們制備薄膜、纖維泡沫材料和粘合劑的用途。
雖然如此，但是其它非纖維蛋白質(zhì)在更加限制的領域中具有其本身的應用。
同樣由類似用于毛的提取步驟得到的羽毛角蛋白在以下所述特定領域中具有特別重要的用途，但是并不包含在一些最終用途中認為合乎需要的IF蛋白質(zhì)。
本說明書中所述方法和后續(xù)化學處理中所用可溶性角蛋白衍生物從毛或羽毛中通過使用硫化鈉還原或者氧化亞硫酸鹽解(sulphitolysis)來制得。在申請人的PCT/NZ02/00125專利說明書中描述了用于制備可溶性角蛋白衍生物的方法例子，其內(nèi)容參考引用于此。使用硫化鈉還原毛發(fā)或羽毛角蛋白涉及在硫化鈉稀溶液(或其它硫化物溶液)中進行溶解。高溶液pH和硫化物離子濃度綜合在一起會導致角蛋白一定程度上降解，可能出現(xiàn)一些肽鍵水解，以及導致二硫鍵被還原，產(chǎn)生富含硫醇和多硫官能度的蛋白質(zhì)。使用反應試劑如硝普鹽可以證實所述分離蛋白質(zhì)富含硫醇官能團。氧化亞硫酸鹽解涉及在亞硫酸鈉和氧化劑作用下將角蛋白中的半胱氨酸轉(zhuǎn)化成S-磺基半胱氨酸。沒有出現(xiàn)肽的水解，并且所溶解的角蛋白的分子量分布和所述未角質(zhì)化的狀態(tài)很類似。在本文中，這種方式制得的蛋白質(zhì)是指通過所述工藝方法從酸性氧化亞硫酸鹽解溶液中分離出來的S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)，即還原角蛋白S-磺酸。
S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)僅作為鹽是可溶的，它可以通過將堿加入S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)中來制備。為了從S-磺化毛角蛋白中間絲蛋白質(zhì)制備薄膜，可以將S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)懸浮在水中，并加入堿如氫氧化鈉或氨，制得每克蛋白質(zhì)1ml1M NaOH(或等量堿)的最終組合物，使溶液最終pH為9-10，由此方便地制備5％蛋白質(zhì)溶液。將這種溶液澆注到平表面如玻璃板上，并在室溫下蒸發(fā)水和/或氨，形成角蛋白薄膜。這些角蛋白薄膜具有高度的透明性，且具有下表1所述的物理性質(zhì)。在未處理的薄膜中，在所述材料中的角蛋白蛋白質(zhì)之間很可能有少量或沒有共價鍵，這是由于原角蛋白中存在的二硫鍵已經(jīng)轉(zhuǎn)化成S-磺基半胱氨酸。當處于干燥狀態(tài)的材料的拉伸強度相對較高時，所述蛋白質(zhì)之間存在的氫鍵和其它非共價相互作用顯然是大的。在水存在下，所述氫鍵類型的相互作用被克服，這一點可以從拉伸強度在濕條件下大大降低反映出來。
來自S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)的材料的物理性質(zhì)很大程度上取決于構成所述材料的蛋白質(zhì)之間的相互作用的性質(zhì)。這些性質(zhì)可以受許多化學處理的顯著影響，這些處理中最顯著的一個是使用還原劑來除去蛋白質(zhì)中的磺酸鹽基團，形成硫醇基團。在大氣條件下，或者在氧化劑如過氧化氫稀溶液存在下，將這些硫醇官能團重新化合形成二硫鍵，并將所述角蛋白材料的化學性質(zhì)恢復到和其原來形式(即包含高比例胱氨酸二硫鍵的蛋白質(zhì))更明顯接近的性質(zhì)。
在pH7下用還原劑如巰基醋酸銨處理30分鐘，或者用三丁基膦處理24小時是一種除去S-磺化角蛋白中磺酸鹽基團的有效方式。這可以使用紅外線研究來證實，所述S-磺酸鹽基團在1022cm-1處形成強烈尖銳的吸收，當S-磺酸鹽角蛋白受到所述反應試劑的作用時觀察到該吸收消失。
在本發(fā)明的一個方面中，用于除去磺酸鹽基團并引入胱氨酸二硫化物的還原試劑其本身就是一種角蛋白蛋白質(zhì)。包含所述硫醇官能團的還原性角蛋白蛋白質(zhì)或角蛋白肽可以通過上述硫化物溶解方法方便地制備。以這種方式制備的角蛋白蛋白質(zhì)包含半胱氨酸還原基團，該基團可以直接共價連接到所述S-磺酸鹽基團上，形成胱氨酸二硫化物。在這種方式中，不使用其它試劑就可以形成交聯(lián)的角蛋白網(wǎng)絡結構。
如表1所示，在S-磺化毛角蛋白中間絲蛋白質(zhì)薄膜情況中，還原處理顯著提高了所述材料的濕強度。在濕條件下，所述材料保持了良好的柔性。其它化學處理也會影響所述薄膜性質(zhì)。用酸如1M鹽酸進行處理，可以使蛋白質(zhì)中的堿基質(zhì)子化，將以鈉鹽或銨鹽存在的S-磺基半胱氨酸轉(zhuǎn)化成S-磺酸。這可以提高氫鍵相互作用，因為所述薄膜的濕強度顯著提高，且沒有引入任何共價鍵。如紅外線吸收所測定的，所述S-磺酸鹽官能度保持完好。標準蛋白質(zhì)交聯(lián)處理如使用甲醛或戊二醛也可以提高所述薄膜的濕強度，并使之在濕和干態(tài)下均堅硬。這可以通過以不顯著影響磺酸鹽官能度以及許多包含涉及交聯(lián)的親核側基如賴氨酸、酪氨酸和胱氨酸的氨基酸殘基的方式交聯(lián)蛋白質(zhì)來實現(xiàn)。
表1 蛋白質(zhì)薄膜的強度、伸長和溶脹數(shù)據(jù)
cv＝偏差系數(shù)，％，n＝5通過各種擠出方法可以使用S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)溶液來制備再生角蛋白纖維。使用濕法紡絲方法(在概念上類似紡于膠粘人造絲，其中，將材料溶液擠到凝固浴中，該材料在所述凝固浴中不溶)，可以將S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)溶液擠出到包含化學試劑的溶液中，所述化學試劑使所述蛋白質(zhì)變成不溶。在用于形成角蛋白纖維的凝固浴中可以使用所述三種用于化學處理S-磺化角蛋白薄膜的方法中的任一種。通過在凝固浴中使用還原劑如硫基醋酸銨，通過濕法紡絲工藝將所述S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)回到包含胱氨酸二硫化物的角蛋白，由此制得具有許多二硫鍵且物理性質(zhì)良好的再生角蛋白纖維。通過使用酸性條件，所述S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)變成質(zhì)子化，并因此不溶。通過使用交聯(lián)劑如甲醛或戊二醛，所述蛋白質(zhì)也變成不溶。所述凝固浴也可以包含高濃度的鹽或溶劑，用于輔助所述纖維成形工藝。在各情況中，會出現(xiàn)所述擠出蛋白質(zhì)沉積，可能僅在所擠出長絲的外表皮上出現(xiàn)，并形成具有足夠機械完整性的纖維，使之可以從凝固浴中收集，并進行進一步的處理如拉伸或其它化學工藝。
也可以使用干法紡絲方法來制備再生角蛋白纖維。所述方法在概念上類似于形成上述S-磺化角蛋白薄膜，其中，除去S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)溶液中的溶劑，并保留角蛋白材料。在形成纖維時，通過擠出具有以下所述組分的S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)溶液來使用這一方法通常6-10％蛋白質(zhì)、多達50％的溶劑如丙酮、乙醇或異丙醇，溶液的其余部分為水和堿如氫氧化鈉(用于將pH調(diào)至9-10)。將這種溶液向下擠出到包含連續(xù)向下熱空氣流的室中，所述熱空氣流可以迅速蒸發(fā)溶劑，并留下S-磺化角蛋白纖維?？梢允褂蒙鲜鲇糜诮堑鞍妆∧さ暮罄m(xù)化學處理如還原、酸性或交聯(lián)處理，為由此方法制得的角蛋白纖維提供濕強度。
可以使用S-磺化角蛋白溶液來制備多孔蛋白質(zhì)泡沫材料。這可以通過冷凍干燥溶液，(按用于澆注所述角蛋白薄膜所述制得的)來獲得。為了制備泡沫材料，將所述溶液澆注到合適的盤或表面上，并冷凍以后再冷凍干燥。所得多孔網(wǎng)絡結構是S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)的泡沫材料。正如這種材料形成的薄膜和纖維一樣，對蛋白質(zhì)進行化學改性對所述材料的濕性能有顯著效果。具體是，在類似于施加到蛋白質(zhì)薄膜的條件下，施加還原劑如巰基醋酸銨或者三丁基膦，可以除去所述S-磺酸鹽基團，并形成二硫鍵的網(wǎng)絡結構，并降低所述溶解性以及提高所述泡沫材料的濕強度。還原形式的角蛋白也可以用于類似的操作，通過二硫鍵網(wǎng)絡結構相互連接，再形成包含角蛋白蛋白質(zhì)的泡沫材料。用酸如1M鹽酸處理所述泡沫材料，可以使所述材料中任何可用基團如S-磺酸鹽基團質(zhì)子化，提高所述材料的濕強度。也可以使用交聯(lián)劑如甲醛或戊二醛來顯著改變所述泡沫材料的濕性能。
上述所有應用優(yōu)選涉及由硬α-角蛋白如毛制備IF型蛋白質(zhì)的情況，但是其它應用如以下所述的一個則可以使用來自其它來源的角蛋白，如羽毛角蛋白。
如上所述，使用硫化鈉還原或氧化亞硫酯鹽解從毛或羽毛制得的角蛋白溶液在各種應用中顯示出顯著的粘合劑性能。但是，這些粘合劑的濕強度均受到限制。通過硫化物還原制得的可溶性角蛋白在一定程度上降解，其蛋白質(zhì)鏈的分子量比原始毛中的要低。來自S-磺酸鹽的角蛋白聚合物不含共價交聯(lián)，且氫鍵相互作用在水中明顯變?nèi)酰缟鲜鼋堑鞍妆∧にC實的。但是，通過重新形成二硫交聯(lián)、通過加入氧化劑(在來自硫化物的蛋白質(zhì)情況下)、或者加入還原劑(在S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)情況下)可以大大提高所述濕強度和粘合劑性能。通過這種方式，可以獲得很有效的粘結，例如用氧化的來自硫化物的蛋白質(zhì)粘結毛發(fā)-顆粒復合物。
本發(fā)明的具體特征涉及認識到所述來自硫化物的蛋白質(zhì)和所述S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)可以混合使用，形成具有很優(yōu)越性能的高度交聯(lián)的結構。如上所述，前一種蛋白質(zhì)可以通過氧化反應來交聯(lián)，后者則通過還原來交聯(lián)。當混合時，所述兩種蛋白質(zhì)類型(一種處于還原狀態(tài)，另一種處于氧化狀態(tài))形成自交聯(lián)體。實際上，在這種體系中，加入來自硫化物的蛋白質(zhì)起到還原劑和交聯(lián)劑的作用，用于將另一種組分中的S-磺酸鹽基團轉(zhuǎn)化成二硫鍵。
這種兩組分自交聯(lián)體系是本發(fā)明的特殊方面，它可以用在許多產(chǎn)品形式中，并且具有消除揮發(fā)性低分子量物質(zhì)以及在一些產(chǎn)品形式中無需使用溶劑的優(yōu)點。因此，預計可以從固體混合物或粘性分散體形成這種復合物，而不會產(chǎn)生收縮。
在這種兩組分體系中，所述各來自硫化物的蛋白質(zhì)和S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)可以從相同或不同的角蛋白源獲得。例如，若需要具有涉及IF蛋白質(zhì)的機械性能，所述S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)可以從硬α-角蛋白如毛獲得，而所述來自硫化物的蛋白質(zhì)則從另一角蛋白源如羽毛獲得。
另一兩組分體系是使用來自硫醇或膦的還原劑以及S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)的體系?；旌线@兩種材料的溶液，可以除去所述磺酸鹽基團，并以上述用于角蛋白薄膜和纖維中的方式形成胱氨酸二硫化物。這可以形成具有良好濕強度的粘合制劑。
通過這種方式，可以將除硬角蛋白以外來源獲得的蛋白質(zhì)加入到上述許多產(chǎn)品類型中，因此，本發(fā)明的特征通常包括角蛋白源，且并不限于硬α-角蛋白。
可以使用分子量低的極性、可溶反應試劑如聚乙二醇或甘油作為增塑劑，為角蛋白材料提供柔性。這些試劑最好在形成薄膜、纖維或粘合劑開始時加入到角蛋白溶液中。
實施例實施例1a 制備角蛋白薄膜為了制備S-磺化角蛋白薄膜，通過將0.5gS-磺化毛角蛋白中間絲蛋白質(zhì)懸浮在水中，之后在約2小時內(nèi)將0.5ml 1M氫氧化鈉逐漸加入劇烈攪拌的溶液中，由此制得5％角蛋白蛋白質(zhì)溶液。小心控制所述溶液的pH，并在直接加入堿的過程中觀察到pH升至～10，并且當堿因蛋白質(zhì)溶解而被吸收時pH逐漸降低。使最終pH達到9.5。在34000g下離心分離所述蛋白質(zhì)溶液，除去不溶物質(zhì)，并將所得溶液澆注到100平方毫米的陪替氏培養(yǎng)皿上，在環(huán)境條件下干燥。在干燥之后，得到容易從所述陪替氏培養(yǎng)皿上取下的透明蛋白質(zhì)薄膜。
實施例1b 二硫化物交聯(lián)蛋白質(zhì)薄膜為了提高S-磺化角蛋白薄膜的濕強度，通過將實施例1中制備的薄膜浸沒在包含還原劑的溶液中，由此將二硫化物交聯(lián)引入所述薄膜中。一個例子就是包含0.25M巰基醋酸銨和0.1M磷酸鉀緩沖液(調(diào)節(jié)到pH7.0)的溶液。另一個例子是包含1M硫基乙酸的溶液。另一個例子是在20ml 10％(體積/體積)0.2M硼酸鹽在二甲基甲酰胺中的緩沖液(緩沖至pH9.0)中包含85毫升三丁基膦的溶液。在浸沒到溶液中并稍稍攪拌30分鐘(在硫醇的情況下)以及24小時(在膦的情況下)之后，取出所述角蛋白薄膜，用水清洗，并在環(huán)境條件下干燥。
實施例1c 在蛋白質(zhì)薄膜質(zhì)子化為了提高S-磺化角蛋白薄膜的濕強度，使用酸使所述蛋白質(zhì)上所有可用的位點質(zhì)子化。這可以通過將實施例1a所得薄膜浸沒在1M鹽酸中30分鐘來實現(xiàn)。用水清洗后，在環(huán)境條件下干燥所述薄膜。
實施例1d 對蛋白質(zhì)薄膜進行非二硫化物交聯(lián)為了提高S-磺化角蛋白薄膜的濕強度，使用交聯(lián)劑將蛋白質(zhì)化學交聯(lián)在一起。在一種情況下，這可以通過使用在0.1M磷酸鹽緩沖液中8％甲醛溶液(pH7.0)來實現(xiàn)。將所述薄膜浸沒在這種溶液中30分鐘，用水清洗并在環(huán)境條件下干燥。在另一情況下，通過使用在0.1M磷酸鹽緩沖液中5％戊二醛溶液(pH7.0)來實現(xiàn)。將所述薄膜浸沒在這種溶液中30分鐘，用水清洗并在環(huán)境條件下干燥30分鐘。
實施例1e 使蛋白質(zhì)薄膜增塑在實施例1a變換方式中，可以在澆注所述薄膜之前，將甘油或聚乙二醇加入實施例1a所述的蛋白質(zhì)溶液中，使含量達到每g蛋白質(zhì)0.2g，由此制得柔性蛋白質(zhì)薄膜。如斷裂伸長測量值所確定的，所得薄膜的柔性比不含增塑劑的類似薄膜更大。
實施例2a 通過濕法紡絲和二硫化物交聯(lián)制備角蛋白纖維為了從S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)制備纖維，除了用于擠出纖維的蛋白質(zhì)溶液濃度為6-15％外，以實施例1a相同的方式制備紡絲液。將增塑劑如實施例1e中所述的增塑劑加入所述紡絲液中。離心分離除去固體和夾帶的空氣之后，使用容積式泵如注射器或齒輪泵、或者空氣壓力迫使所述紡絲液從噴絲頭進入凝固浴中。所述凝固浴的組成為1M巰基醋酸銨、0.4M磷酸鈉、0.25M硫酸鈉、2％甘油，均設置為pH7.0。
實施例2b 通過濕法紡絲和非二硫化物交聯(lián)制備角蛋白纖維以實施例2a的變換方式，將纖維擠到組成如下的凝固浴中0.25M巰基醋酸銨、0.1M磷酸鈉、8％甲醛和2％甘油。這樣就形成柔韌的、未形成二硫鍵的纖維，如遠紅外分析所示，其清楚地表明S-磺酸鹽基團的存在。之后用包含還原劑如0.25M巰基醋酸銨(pH7.0)和0.1M磷酸鉀緩沖液的溶液處理所述纖維，這足以除去所述S-磺酸鹽基團，并重新形成二硫鍵。
實施例2c 通過干法紡絲制備角蛋白纖維為了通過干法紡絲工藝制備纖維，首先以實施例2a所述類似方式制備紡絲液。以紡絲液制備的變換方式，將溶劑如丙酮或異丙醇加入紡絲液中，得到的最終組成為蛋白質(zhì)為6-15％，溶劑為20-50％，增塑劑為1-3％。使用類似于實施例2a所述的技術，將所述紡絲液通過噴絲頭擠出，向下進入具有連續(xù)向下熱空氣流的室中。這樣就使得溶劑迅速蒸發(fā)，留下角蛋白纖維。接著通過使用實施例1中所述類型的酸、還原劑和交聯(lián)劑濕加工所述纖維，提高所述纖維的濕強度。
實施例3a 制備角蛋白泡沫材料使用如實施例1a所述制備的蛋白質(zhì)濃度為5％的S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)溶液，通過在100平方毫米的陪替氏培養(yǎng)皿中冷凍所述溶液，并冷凍干燥所得固體，由此形成角蛋白泡沫材料。
實施例3b 化學改性角蛋白泡沫材料以用于角蛋白膜的相同方式將實施例1b、c和d中所述的包含還原劑，酸或交聯(lián)劑的化學溶液施加到角蛋白泡沫材料中。顯著降低角蛋白泡沫材料的溶解性，并提高濕強度。
實施例4a 使用角蛋白粘合劑粘結木材使用如實施例1a所述制備的蛋白質(zhì)濃度為5％的S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)溶液，通過將角蛋白溶液和木屑以每克木屑1ml溶液的比例混合，由此粘結木屑。然后，以類似于制造市售脲-醛粘結刨花板(3MPa，180℃，300s)的方式壓制并加熱所述混合物，由此制得實心木屑角蛋白復合材料。
實施例4b 使用角蛋白粘合劑粘結紡織品使用如實施例1a所述制備的蛋白質(zhì)濃度為5％的S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)溶液，通過將所述角蛋白溶液涂布到-毛紡織品表面上，并用夾送輥系統(tǒng)將另一毛紡織品壓到所述涂布紡織品上，由此將毛紡紡織品粘結。在高溫下干燥所述復合物之后，制得粘結的紡織品。作一些小變動的話，可以如實施例1d中所述的相同方式將增塑劑加入所述蛋白質(zhì)溶液中，制得柔性粘合劑。
實施例4c 使用還原劑的兩組分粘合劑體系混合以實施例1a所述方式制得的S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)溶液和還原劑溶液，制得粘合劑。所述還原劑溶液包含10％鹽酸三羧基乙基膦。當以10份角蛋白溶液對1份還原劑溶液的比例混合，并涂布到兩塊木材表面上時，這種兩組分制劑在12小時內(nèi)干燥，在木材表面之間形成強粘合，在潮濕環(huán)境中仍舊保持強粘合。在該應用的變換方式中，使用包含0.25M巰基醋酸銨(緩沖至pH7.0)和0.1M磷酸鉀的還原劑溶液。當以10份角蛋白溶液對1份還原劑溶液的比例混合，并涂布到兩塊木材表面上時，這種兩組分制劑在12小時內(nèi)干燥，在木材表面之間形成強粘合，在潮濕環(huán)境中仍舊保持強粘合。
實施例4d 使用兩種形式角蛋白的兩組分粘合劑體系混合以實施例1a所述方式制得的S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)溶液和還原性角蛋白肽溶液制得粘合劑，所述角蛋白肽溶液包含基本上呈半胱氨酸形式的含硫氨基酸，并且組成為5％蛋白質(zhì)和2％硫化鈉。當?shù)确莼旌喜⑼坎嫉絻蓧K木材表面上時，這種兩組分制劑在12小時內(nèi)干燥，在木材表面之間形成強粘合，在潮濕環(huán)境中仍舊保持強粘合。在該應用的變換方式中，使用呈固體形式的還原性角蛋白肽，以5份S-磺化角蛋白溶液對1份還原性角蛋白固體的比例混合，并涂布到兩塊木材表面上，這種兩組分制劑在12小時內(nèi)干燥，在木材表面之間形成強粘合，在潮濕環(huán)境中仍舊保持強粘合。
對于說明書中提到的具體的完整的東西，應理解其等價物可以代替，就象它們在本文中所述的一樣。
因此，本發(fā)明提供了可溶性角蛋白衍生物的制備方法及其在制造生物高分子材料如薄膜、纖維、泡沫材料和粘合劑中的用途，以及使用進一步化學處理方法來改進這些材料的方法。
已經(jīng)說明了本發(fā)明具體的實施例，并且可以設想到在不背離所附權利要求書范圍的條件下可以作出改進和修改。
權利要求
1.一種薄膜、纖維、泡沫或粘合劑材料，它們來自S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)。
2.一種薄膜、纖維、泡沫或粘合劑材料，它們主要來自S-磺化毛角蛋白中間絲蛋白質(zhì)。
3.權利要求1或2所述的薄膜、纖維、泡沫或粘合劑材料，其特征在于，所述角蛋白蛋白質(zhì)由溶液再生。
4.一種制備蛋白質(zhì)薄膜的方法，所述方法為溶劑澆注S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)溶液。
5.一種提高權利要求4所述方法制得的薄膜的濕強度的方法，所述方法為通過用還原劑進行處理，將所述磺酸鹽基團除去并重新形成二硫鍵，由此將二硫化物交聯(lián)引入所述薄膜。
6.權利要求5所述的方法，其特征在于，所述還原劑是硫醇或膦。
7.一種提高權利要求4所述方法制得的薄膜的濕強度的方法，所述方法為通過用還原形式的角蛋白或還原形式的角蛋白肽進行處理，由此將二硫化物交聯(lián)引入所述薄膜。
8.一種提高權利要求4所述方法制得的薄膜的濕強度的方法，所述方法為通過用酸處理所述薄膜，使所述蛋白質(zhì)中的S-磺酸鹽基團以及任何其它極性基團質(zhì)子化。
9.一種提高權利要求4所述方法制得的薄膜的濕強度的方法，所述方法為通過使用普通蛋白質(zhì)交聯(lián)劑如甲醛、戊二醛和其它種類試劑和蛋白質(zhì)反應將交聯(lián)引入所述薄膜中。
10.一種薄膜，它通過權利要求4所述的方法制得，并隨后通過權利要求5-9任一項所述方法進行改性。
11.一種制備蛋白質(zhì)薄膜的方法，所述方法為溶劑澆注包含S-磺化角蛋白和還原形式的角蛋白或角蛋白肽的混合物的溶液。
12.一種薄膜，它由權利要求11所述的方法制得。
13.一種制備蛋白質(zhì)纖維的方法，所述方法為將S-磺化角蛋白溶液擠出到包含鹽和還原劑的水溶液中，使溶液中的蛋白質(zhì)變成不溶。
14.權利要求13所述的方法，其特征在于，所述還原劑是硫醇或巰基醋酸鹽。
15.一種制備蛋白質(zhì)纖維的方法，所述方法為將S-磺化角蛋白溶液擠出到包含鹽、還原劑和交聯(lián)劑的水溶液中，使溶液中的蛋白質(zhì)變成不溶。
16.權利要求15所述的方法，其特征在于，所述還原劑是硫醇或巰基醋酸鹽。
17.權利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述交聯(lián)劑是甲醛。
18.一種制備蛋白質(zhì)纖維的方法，所述方法為將S-磺化角蛋白溶液擠出到包含鹽和酸的水溶液中，使溶液中的蛋白質(zhì)變成不溶。
19.權利要求18所述的方法，其特征在于，所述酸是硫酸。
20.一種制備蛋白質(zhì)纖維的方法，所述方法為將S-磺化角蛋白溶液擠出到熱環(huán)境中，并迅速蒸掉所述溶劑，留下纖維狀材料。
21.權利要求5-9任一項所述化學處理方法的應用，其特征在于，所述化學處理方法用于權利要求20所述擠出工藝的纖維狀產(chǎn)品。
22.一種來自S-磺化角蛋白的纖維，所述纖維由權利要求15-21任一項所述方法制得。
23.一種制備蛋白質(zhì)泡沫材料的方法，所述方法為冷凍干燥S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)溶液。
24.一種提高權利要求23所述方法制得的泡沫材料的濕強度的方法，所述方法為通過用還原劑處理來除去所述磺酸鹽基團并重新形成二硫鍵，由此將二硫化物交聯(lián)引入所述泡沫材料中。
25.權利要求24所述的方法，其特征在于，所述還原劑是硫醇或膦。
26.一種提高權利要求23所述方法制得的泡沫材料的濕強度的方法，所述方法為通過用還原形式的角蛋白或還原形式的角蛋白肽處理來將二硫化物交聯(lián)引入所述泡沫材料中。
27.一種提高權利要求23所述方法制得的泡沫材料的濕強度的方法，所述方法為通過用酸處理來使蛋白質(zhì)中的S-磺酸鹽基團以及任何其它極性基團質(zhì)子化。
28.一種提高權利要求23所述方法制得的泡沫材料的濕強度的方法，所述方法為通過使用普通蛋白質(zhì)交聯(lián)劑如甲醛、戊二醛以及其它種類的試劑和蛋白質(zhì)反應將交聯(lián)引入所述薄膜中。
29.一種泡沫材料，它通過權利要求23所述方法制得，并隨后通過權利要求24-28任一項所述的方法進行改性。
30.一種對薄膜、泡沫材料或纖維的柔性進行改性的方法，所述方法為往角蛋白溶液中加入增塑劑如來自甘油和聚乙二醇類的增塑劑。
31.一種粘合劑，它包含S-磺化角蛋白溶液。
32.一種粘合劑，它包含S-磺化角蛋白溶液和還原劑如膦或硫醇，所述粘合劑的濕強度比權利要求31所述粘合劑大。
33.一種兩組分粘合制劑，其中，一組分是S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)溶液，另一組分是還原角蛋白或還原角蛋白肽的溶液，它們混合時反應形成交聯(lián)網(wǎng)絡結構，其濕強度比權利要求31所述粘合劑大。
34.一種薄膜、纖維、泡沫或粘合劑材料，它來自PCT/NZ02/00125所述高分子量角蛋白衍生物。
35.權利要求34所述的薄膜、纖維、泡沫或粘合劑材料，其特征在于，所述蛋白質(zhì)源是天然存在的蛋白質(zhì)源。
36.一種薄膜、纖維、泡沫或粘合劑材料，它來自PCT/NZ02/00125所述高S-磺化角蛋白中間絲狀蛋白質(zhì)。
37.一種薄膜、纖維、泡沫或粘合劑材料，它來自PCT/NZ02/00125所述可溶性角蛋白肽。
38.權利要求4-9、11、12-20、23-28或30任一項所述的方法，其特征在于，所述方法使用工程溶液混合物從S-磺化角蛋白蛋白質(zhì)制備薄膜、纖維、泡沫或粘合劑材料。
39.一種薄膜、纖維、泡沫或粘合劑材料，它來自對蛋白質(zhì)結構完整性幾乎不或不損害的純化蛋白質(zhì)，該純化蛋白質(zhì)按PCT/NZ02/00125所述由不純的蛋白質(zhì)源制得。
40.一種薄膜、纖維、泡沫或粘合劑材料，它由PCT/NZ02/00125所述大的規(guī)?；厥辗椒ㄖ频玫牡鞍踪|(zhì)制得。
全文摘要
由可溶性S－磺化的角蛋白制備薄膜、纖維、泡沫以及粘合劑材料。一旦形成后，處理所述薄膜、纖維、泡沫材料或粘合劑來改變所述材料的性質(zhì)，尤其是提高所述材料的濕強度。所用處理方法包括用還原劑處理、用酸處理或者用普通蛋白質(zhì)交聯(lián)劑處理或者用還原形式的角蛋白或角蛋白蛋白質(zhì)處理來除去所述S－磺酸鹽基團。所述薄膜通過溶劑澆注S－磺化角蛋白蛋白質(zhì)溶液來制造，所述泡沫材料通過冷凍干燥S－磺化角蛋白蛋白質(zhì)溶液來制造，所述纖維通過擠出S－磺化角蛋白蛋白質(zhì)溶液來制造。
文檔編號C09J189/00GK1639233SQ02819589
公開日2005年7月13日 申請日期2002年8月30日 優(yōu)先權日2001年8月31日
發(fā)明者R·J·凱利, D·A·蘭金, A·D·羅迪克-蘭齊洛塔, W·G·布萊森 申請人:凱瑞泰克有限公司