可溶性角蛋白的酶法制备及其应用研究

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角蛋白因其优良的生物相容性和可降解性,在生物医学领域具有潜在的应用价值。由于天然角蛋白分子中含有大量的二硫键使其溶解性较差,制备可溶性好、分子量可控的角蛋白对推进其生物材料领域的应用具有重要意义。目前常用的物理法和化学法仍然存在着条件苛刻、试剂用量大和角蛋白分子片段偏小等问题,使材料性能和应用领域受到诸多限制。酶法制备可溶性角蛋白条件温和,过程相对可控,符合绿色制造的发展方向。我国是羊毛制品生产大国,在毛纺织物的生产过程中产生了大量的羊毛废弃物。本研究旨在通过双酶法,以羊毛为底物制备出大分子可溶性角蛋白,利用静电纺丝和原位还原方法制备出PHBV/角蛋白/AgNPs纳米纤维膜并对其进行表征,初步开展了上述角蛋白基敷料的抑菌性能与促进伤口愈合的应用研究。论文的主要研究内容如下:(1)角蛋白酶的发酵制备。通过单因素和正交实验,对培养基的组分和发酵条件进行优化,得到适宜的产酶条件,其培养基主要成分为蛋白胨14 g·L-1,酵母提取物28g·L-1,甘油30 g·L-1;培养温度37°C,初始pH为8.0。摇瓶发酵产酶最高达到5926 U·m L-1,而在7 L发酵罐中,分批培养在36 h酶活达到8949 U·mL-1;通过补料能够在30 h时达到16860 U·mL-1,这为角蛋白的酶法制备奠定了良好的应用基础。(2)角蛋白的酶法制备与交联。为制备大分子角蛋白并提高其机械性能,本研究利用角蛋白酶水解羊毛,获得相对分子量约为25-40 kDa的可溶性角蛋白,羊毛水解率为58%,角蛋白得率为44.7%。再利用谷氨酰胺转氨酶,使可溶性角蛋白进一步交联,得到分子量为120 kDa的大片段角蛋白。对交联工艺进行了优化研究,最适谷氨酰胺转氨酶用量为20 U·g-1角蛋白,反应体系pH 6,反应温度50°C,交联时间6 d。然后借助SDS-PAGE、FTIR、圆二色谱、TGA等表征手段对所制备的大分子角蛋白进行表征,并与酸法、碱法和还原法所制备的角蛋白进行对比。研究表明通过酶解-交联工艺所制备的角蛋白分子量和热稳定性均优于酸法、碱法和还原法所制备的角蛋白。同时,对交联角蛋白进行细胞生物学评价,发现其能有效促进细胞增殖和迁移,表现出良好的生物相容性。(3)角蛋白生物医用敷料的制备及应用。以交联角蛋白(CK)和羟基丁酸-羟基戊酸共聚酯(PHBV)为材料,通过静电纺丝制备出PHBV/CK纳米纤维膜。SEM结果显示,纤维直径为353±111 nm,纤维间随机连接,表面光滑无串珠形成。机械性能测试发现,CK可以使纳米纤维膜的断裂强度提高到3.1±0.2 MPa。利用角蛋白酶的还原力,制备出PHBV/CK/AgNPs纳米纤维膜。抑菌实验显示出优良的抗菌性能,且对大肠杆菌Escherichia coli和金黄色葡萄球菌Staphylococcus aureus都有抑制作用。该纤维膜的接触角46.6°,吸水率达到399%,属于亲水性材料。材料的孔隙结构和亲水性有利于营养及气体交换,将该纳米纤维膜用于L929细胞培养,经过24 h的培养,细胞呈现良好增殖状态;在小鼠表皮伤口愈合实验中,该纳米纤维膜也显示出对伤口良好的促愈作用,14 d时伤口愈合率达93.7±1.8%,修复效果优于阳性对照组。
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