一种可从电极剥离的短程取向非晶胶原材料及其电化学制备方法技术

本发明专利技术属于生物大分子组装领域，涉及一种可从电极剥离的胶原材料及其电化学制备方法。在胶原电解液中添加过氧化氢和醋酸，通过电化学方法诱导电解液中的胶原分子在电极表面进行组装，制备一种可从电极上直接剥离的胶原材料。本发明专利技术的方法易于操作，制备时间短，不使用有机溶剂，阴极不产生气泡。所获得的胶原材料以短程取向的胶原微纤通过非共价键连接而成，胶原排列致密，材料外观透明、结构均匀，胶原材料能被溶剂再次溶解，可被循环制备。本发明专利技术可以根据阴极的形状制备同样形状的胶原异形材料，以适应不同的后续加工要求。以适应不同的后续加工要求。以适应不同的后续加工要求。

A short-range oriented amorphous collagen material that can be stripped from the electrode and its electrochemical preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种可从电极剥离的短程取向非晶胶原材料及其电化学制备方法


[0001]本专利技术属于生物大分子组装领域，涉及一种可从电极剥离的胶原材料及其电化学制备方法。

技术介绍

[0002]胶原是脊椎动物中最丰富的蛋白质之一。由于它具有低免疫源性，高生物相容性，能促进细胞增殖和伤口愈合等优点，已被广泛用于各类生物医用材料。胶原蛋白是一种三螺旋结构，在体内一些内源性信号的指导下，可以进行分级有序组装，即从三螺旋结构开始，经历胶原微纤、胶原原纤、胶原纤维的分级组装，最终形成组织结构。
[0003]在体外，人们多使用溶液浇铸方法将单纯的胶原蛋白加工成胶原生物材料。操作步骤是将胶原蛋白溶液调节至中性后至于模具中，于37℃下孵育一段时间以完成胶原分级组装过程。缺点是：1不易于加工各种异形胶原材料；2要持续几个小时，甚至过夜才能完成；3材料内部胶原纤维无序排列、胶原排列密度低、材料外观不透明。
[0004]利用电化学沉积技术(Electro
‑
deposition EDP)制备胶原材料是一种较为先进的加工方法，其原理是对胶原的酸性溶液施加电场，驱动胶原分子向阴极区域电泳迁移；同时由于阴极上发生的电化学反应(通常是电解水反应)可升高电极附近溶液pH值，泳动到胶原等电点区域的胶原就被析出，从而形成胶原材料。与溶液组装方法对比，优点是该过程通常比较快，在30
‑
60分钟左右可完成；二是可对材料塑形；三是材料微观结构有取向特征、胶原排列致密、材料外观透明。缺点也很明显：因为等电点区域通常位于电解液中的某个位置，不能直接在电极上沉积得到胶原材料，不方便取材，也不便利用电极形状对胶原材料进行塑形(比如获得管状、不规则形状胶原材料)；并且两个电极之间间距很小，一般1
‑
2mm，不便于操作 (An electrochemical fabrication process for the assembly of anisotropically orientedcollagen bundles，Biomaterials 29(2008)3278
–
3288；Tenogenic Induction of HumanMSCs by Anisotropically Aligned Collagen Biotextiles，Adv.Funct.Mater.2014,24, 5762
–
5770)。
[0005]此外，也有研究者利用脉冲EDP技术，在电极上获得了胶原材料。主要策略是在电解液中加入50％的有机溶剂乙醇(可能是为了降低胶原溶解度)并使用脉冲电压(减小阴极上产生的氢气气泡，以利于胶原沉积)。该方法的缺点有：有机溶剂可能造成胶原蛋白的结构改变，电极获得的材料结构均匀性不容易控制，操作时间较长，需要1.5小时，获得材料不透明 (Fabrication of free standing collagen membranes by pulsedelectrophoreticdeposition，Biofabrication 11,2019,045017)。
[0006]因此，需要开发新的方法克服上述缺点，以便更加快速、有效的获得符合要求的胶原材料。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题是提供一种可以从电极上直接获得胶原材料的电化学沉积制备方法，以便高效的获得符合要求的胶原材料。
[0008]为达到上述目的，本专利技术提供了一种可从电极剥离的胶原材料的制备方法，在电解液中添加过氧化氢和/或醋酸，通过电化学方法在电极制备可剥离的胶原材料。可选的，阴极可以是不锈钢、碳纸、碳布、Pt电极、金电极、石墨电极、Ti电极；阳极可以是不锈钢、碳纸、碳布、Pt电极、金电极、石墨电极，不可以是Ti。
[0009]可选的，所述的制备方法包括以下步骤：
[0010]S1，胶原溶液的配置：在胶原蛋白溶液中添加醋酸使胶原完全溶解，调节最终溶液的pH 值为1.5
‑
4.0，浓缩后获取浓度在1
‑
20mg/ml范围的胶原溶液；
[0011]S2，向步骤S1获得的胶原溶液中加入过氧化氢标准液体，使其在溶液中的终体积百分比为5％
‑
17％，并搅拌、除去气泡，置于0
‑
10℃备用；
[0012]S3，以钛片作为阴极、铂作为阳极，两个电极平行放置在电解池中电极之间的距离控制在0.5
‑
3.0cm，在电解池中缓慢加入步骤S2所制备的胶原溶液；
[0013]S4，采用恒电压或者恒电流沉积进行电化学反应，沉积时间10
‑
60分钟，获得可从阴极上剥离的胶原凝胶膜。
[0014]本专利技术的制备方法中，胶原材料能在电极上直接获得。电极间距可以从毫米增加到厘米级别，显著宽于目前常用的2mm的电极距离，极大的方便电极的搭建和后续的操作。例如，电极之间的距离可以控制在0.5
‑
3.0cm，更好的控制在1.0
‑
1.5cm。
[0015]可选的，电极的安装方式包括：将两个电极垂直平行放置在电解池中，或者将两个电极水平平行放置在电解池中。水平电极和竖直电极均能制备胶原材料，但发现竖直电极制备的材料容易因重力原因上薄下厚，采用水平电极可避免此情况。
[0016]可选的，步骤S1中调节加入胶原蛋白原料的质量，使最终获取的胶原溶液浓度在5
‑
10 mg/ml。本专利技术通过反复测试，可以在电解液中不使用有机溶剂，而通过制备方法中其他参数的调节实现自支撑的胶原(凝胶膜)的制备(也即能从电极上剥离而成为独立的材料)，同时有效阻止阴极产生气泡。改变加入胶原蛋白原料的质量，可以调节最终获取的胶原溶液浓度。当最终获取的胶原溶液浓度超出20mg/ml后溶液失去流动性，通常在1
‑
20mg/ml变化范围内能够获得较好的结果。
[0017]本专利技术中，胶原可以采用各种市售的胶原。例如，本专利技术实施例1中所用的胶原来自上海昊海生物科技有限公司。所述的自支撑即Free
‑
standing，不利用其它的基底作为支撑。
[0018]可选的，步骤S1中透析液中加入醋酸的终浓度需要根据胶原电解液的pH来确定。透析液中醋酸太少，会降低透析袋中胶原电解液中的醋酸量，降低后续电化学反应中电泳过程中胶原分子的流动性。透析液中醋酸太多，会增加胶原电解液中的醋酸量，容易导致胶原分子在后续电化学反应中无法在阴极表面沉积。实际操作为：将胶原原料放置于超纯水中搅拌，并滴加醋酸，利用pH计监测过程的pH值，直到达到本专利技术规定的pH范围即可，此时胶原已经完全溶解。
[0019]可选的，步骤S2加入的过氧化氢终浓度为50
‑
200μl/ml。理论上，增加过氧化氢有助于胶原凝胶膜的快速形成，但是实验结果表明，过氧化氢浓度高于200μl/ml，过氧化氢在
电解液中会直接分解，导致本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种从电极剥离的胶原材料的制备方法，其特征在于，在胶原溶液中添加过氧化氢和醋酸，通过电化学方法在电极制备可从电极剥离的胶原材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，胶原溶液的配置：在胶原蛋白溶液中添加醋酸使胶原完全溶解，调节最终溶液的pH值为1.5
‑
4.0，去杂、浓缩后获取浓度在1
‑
20mg/ml范围的胶原溶液；S2，向步骤S1获得的胶原溶液中加入过氧化氢标准液体，使其在溶液中的终体积百分比为5％
‑
17％，并搅拌、除去气泡，置于0
‑
10℃备用；S3，将阳极和阴极平行放置在电解池中电极之间的距离控制在0.5
‑
3.0cm，在电解池中缓慢加入步骤S2所制备的胶原溶液；S4，进行电化学沉积，沉积时间8
‑
60分钟，获得能从阴极上直接剥离的胶原凝胶膜。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，阴极选自但不限于不锈钢、碳纸、碳布、Pt电极、金电极、石墨电极、Ti电极；阳极选自但不限于不锈钢、碳纸、碳布、Pt电极、金电极、石墨电极，Ti不用于阳极；或者，电极的安装方式包括：将两个电极垂直平行放置在电解池中，或者将两个电极水平平行放置在电解池中；或者，电极之间的距离控制在1.0
‑
2.5cm。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中调节加入胶原蛋白原料的质量，使最终获取的胶原溶液浓度在5
‑
10mg/ml；或者，步骤S2加入的过氧化氢浓度为20
‑
150μl/ml；离心速度6000
‑
8000rpm/min的速度离心；或者，步骤S3电极距离为1.0
‑
2.0cm；或者，步骤S4中，以恒电流方式或者恒电压方式进行电化学沉积。5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中胶原溶液的配置为：按照400mg I型胶原蛋白溶于40mL超纯水的比例准确称取胶原蛋白和超纯水，滴加冰醋酸并充分搅拌，促使胶原完全溶解，...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈雪，万浩然，雷淼，刘昌胜，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：