CN101555637A - 以静电纺制备海藻酸盐微球/高聚物复合纳米纤维的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以静电纺制备海藻酸盐微球/高聚物复合纳米纤维的方法，包括：将海藻酸盐或海藻酸盐共混物溶于蒸馏水或超纯水中，得均一海藻酸盐水凝胶，得到水相溶液A；将表面活性剂与有机溶剂混合均匀，得到油相溶液B；将水相溶液A和水相溶液B按体积比1∶10～15混合，并加入氯化钙溶液0.1～0.5ml，振荡混匀，得混合溶液；将高聚物纺丝材料加入到上述混合溶液中，进行静电纺丝，即得。本发明的制备方法操作简单，具有良好的经济效益，且对环境友好，适合大规模生产；该方法通过将微球结合进纳米纤维中，使制备的纤维无论在力学性能还是缓释特性上相比于普通静电纺纤维都表现出其优越性，具有更广阔的应用前景。

Description

以静电纺制备海藻酸盐微球/高聚物复合纳米纤维的方法

技术领域

本发明属高分子复合纳米纤维的制备领域，特别是涉及一种以静电纺制备海藻酸盐微球/高聚物复合纳米纤维的方法。

背景技术

海藻酸是一种天然多糖，主要来源于海洋植物，即绿藻纲、蓝藻纲、红藻纲和褐藻纲。此外，海藻酸还可以从固氮菌和假单胞菌中提制，这一类产物也被称之为细菌海藻酸。

海藻酸的化学组成十分简单，由β-D-甘露糖醛酸(简称M单元)与α-L-古罗糖醛酸(简称G单元)通过1，4-糖苷键连接。由于在连接过程中会出现以下3种状况，即单一的MMM或GGG以及MGGGMM的MG混合并交替。而G单元与M单元在分子中不同的比率决定了其分子的结构，不同的结构连同其所表现的不同构象又决定了海藻酸的生物学特性，由此显现出海藻酸在表现型式和功能性上的多样性。

由于海藻酸分子中所含的古罗糖醛酸(G)和甘露糖醛酸(M)的数量不同，产品中又分为高含量和低含量，即高含量、低含量古罗糖醛酸以及高含量、低含量甘露糖醛酸4种形式。然而根据其相对分子质量的大小所表现出的黏度变化又分为低黏度、中等黏度和高黏度3种。因此，依据其海藻酸的组成成分和相对分子质量等所表现出的性能多样性，必然伴随出现该物质的功能多样性，即多功能性。

海藻酸钠是阴离子聚合物，很容易与二价阳离子，如Ca²⁺，形成离子键而微囊化，在对用钙固化海藻酸钠而制备微囊时，可以采用水相/油相(W/O)法，也可直接采用水相/水相(W/W)法，而W/W法也有外部固化法和内部固化法两种。单纯用Ca²⁺交联得到的海藻酸钙微囊，其交联点之间的空隙大，尽管进入体内其养分和代谢产物能自由出入，但也存在许多不足，如小分子药物包埋率低，释放速度快等。

静电纺丝最早出现于1934年，Formhals在一篇专利中首次介绍了利用静电斥力获得聚合物纤丝的方法，原理是利用外加电场力使聚合物溶液或熔体克服表面张力在纺丝喷头毛细管尖端形成射流，当电场强度足够高时，在静电斥力、Coulomb和表面张力的共同作用下，聚合物射流沿不稳定的螺旋轨迹弯曲运动，在几十毫秒内被牵伸千万倍，随溶剂挥发，射流固化形成亚微米至纳米级超细纤维。20世纪80年代，Reneker等进行了大量的实验和理论探索，建立了较为完整的技术体系，近年来随着纳米科技的不断发展，静电纺丝已成为一种重要的纳米材料加工技术，目前已有超过100种天然和人工合成高分子材料被成功地电纺成纳米纤维，所得单根纤维的直径从几十纳米到几微米。静电纺丝取得了三个突破性的进展。一、开发了几种不同的定向收集技术，如高速旋转的圆柱体法、框架法、辅助电场法、多场效应等；二、引入溶胶-凝胶技术得到有机无机复合纳米纤维；三、同轴静电纺和乳液静电纺的开发可得到核-壳结构的纳米纤维和中空纤维。从理论上，任何高分子只要能够找到合适的溶剂体系，都有可能静电纺成纳米纤维，具有批量生产的可能。

作为药物负载体系，一直以来，药物的负载量和吸收效率对于药物来说是一个很重要的方面。通常药物的体积或者包裹药物的材料越小，药物被人体吸收就越容易。海藻酸钙凝胶具有pH依赖特性、粒径适宜、可防止突释、口服无毒等特点，所以常作为酸敏感性药物的载体材料。纳米纤维具有高的比表面积，负载在其中的药物可通过渗透扩散或是纳米纤维的降解转移到人体组织中。纳米纤维具有许多优异的性质，如超大的比表面积、特异的表面性能和优异的机械性能等。这些性能使得海藻酸盐微球和纳米纤维具有极大的结合应用的可能性，尤其是在药物缓释方面。

在药物载体材料的选择上，静电纺丝具有较广泛的灵活性。许多生物可降解的和非生物可降解的聚合物材料都能满足负载和释放药物的要求。药物可通过两种不同的方式从载体支架中释放，一种是扩散释放，另一种是降解释放，也可以是两种释放同时进行。除此以外，由于对药物选择的灵活性，包括抗生素、抗癌药物、蛋白质和DNA等很多药物均可以被负载。使用不同的静电纺丝技术，不同的药物负载方式也可以应用，如：涂层，嵌入和包裹药物(同轴静电纺和乳液静电纺)。这些技术能够很好的控制药物的释放。药物负载方式和体系包括：(1)药物颗粒黏附在纳米纤维的表面；(2)药物和聚合物混纺成为纳米纤维膜，在纤维膜中两种物质的纤维无规的交融在一起；(3)药物和聚合物混纺成纤维，每根单纤维都同时含有两种组分；(4)聚合物与药物形成“壳-芯”结构，将药物包裹在纤维芯层。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种以静电纺制备海藻酸盐微球/高聚物复合纳米纤维的方法，本发明的制备方法操作简单，原料来源方便，具有良好的经济效益，且对环境友好，适合大规模生产；该方法通过将微球结合进纳米纤维中，使制备的纤维无论在力学性能还是缓释特性上相比于普通静电纺纤维都表现出其优越性，并且微球本身可以作为缓释载体，复合进纤维后，可以作为潜在的药物缓释载体，这样的特性在组织工程支架和药物缓释领域都会有更广阔的应用前景。

本发明的一种以静电纺制备海藻酸盐微球/高聚物复合纳米纤维的方法，包括：

(1)将海藻酸盐或海藻酸盐共混物溶于蒸馏水或超纯水中，配制浓度为0.01g/ml的均一海藻酸盐水凝胶，得到水相溶液A；

(2)将表面活性剂与有机溶剂按质量体积比0.1～0.5g∶100ml的比例混合均匀，得到油相溶液B；

(3)将水相溶液A和水相溶液B按体积比1∶10～15混合，并加入质量分数5％的氯化钙溶液0.1～0.5ml，振荡混匀，得混合溶液；

(4)将高聚物纺丝材料加入到上述混合溶液中，其中高聚物纺丝材料与混合溶液的质量体积比6～8g∶100ml，将其进行静电纺丝，纺丝电压为15～22kv，接收距离12～18cm，纺丝推进速度0.5～1.5mL/h，喷丝口直径为0.9mm，即得海藻酸盐微球/高聚物复合纳米纤维。

所述步骤(1)中的海藻酸盐为海藻酸钠，海藻酸钾或其两者的混合物；所述的海藻酸盐共混物为海藻酸钠与壳聚糖或海藻酸钠与明胶的共混物；

所述步骤(2)中的有机溶剂选自二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、丙酮、乙醇、N，N-二甲基甲酰胺、三氟乙醇、六氟异丙醇中的一种或几种的混合物；

所述步骤(2)中的表面活性剂选自十二烷基磺酸钠、斯盘、聚山梨酸酯、甘油单双硬脂酸酯、单硬脂酸甘油脂、单硬脂酸丙二醇酯、山梨糖醇酐倍半油酸酯、乙二醇单硬脂酸酯、双甘油二油酸酯、甘油单油酸酯中的一种或几种的混合物；

所述步骤(5)中的纺丝材料高聚物为聚乳酸-聚己内酯P(LLA-CL)，其中聚乳酸与聚己内酯的质量比为3∶3-1。

由于海藻酸盐的凝胶化主要是由古罗糖醛酸或甘露糖醛酸分子上的Na+被二价阳离子如Ca²⁺所取代，Ca²⁺先从该分子羟基部位将Na⁺换下再与另一海藻酸相交连。由此，出现该Ca²⁺将两条海藻酸钠相连，这样便有助于分子聚集；反之，分子聚集又加固了所结合的Ca²⁺，如此相互依存产生协同结合，便出现了包装在“盒子里的鸡蛋”形状。依此类推，所形成的结合所表现出凝胶化性能，其受约因素则与盒子的特定大小，盒子包装的层数，协同作用的强弱程度以及分子稳定程度有关。

海藻酸微溶于水，但一旦与碱金属离子结合形成盐，则大多数溶解于水，即海藻酸分子羟基上的氢被一价碱金属离子所置换，便生成了水溶性海藻酸盐，如海藻酸钠、海藻酸钾；但与二价的金属离子所形成的海藻酸盐，则可以形成凝胶甚至转化为纤维等，这时又为水不溶性的。

本发明主要为微球和纤维构成的静电纺丝复合载体，先利用离子乳化法制备海藻酸钠盐微球，再将其加入到混合有乳化剂的有机溶剂中，化学交联剂交联过后，在搅拌的条件下形成均一乳液，最后利用静电纺丝技术，在高压静电场下使高分子溶液带电，并在向低电场喷射过程中成丝，制备得到微球和聚合物形成的复合纳米纤维。

有益效果

本发明的制备方法操作简单，原料来源方便，具有良好的经济效益，且对环境友好，适合大规模生产；该方法通过将微球结合进纳米纤维中，使制备的纤维无论在力学性能还是缓释特性上相比于普通静电纺纤维都表现出其优越性，并且微球本身可以作为缓释载体，复合进纤维后，可以作为潜在的药物缓释载体，这样的特性在组织工程支架和药物缓释领域都会有更广阔的应用前景。

附图说明

图1为静电纺丝装置示意图；

图2为静电纺丝纳米纤维放大5000倍扫描电子显微镜照片；

图3为海藻酸盐微球放大400倍光学显微镜照片；

图4为含有海藻酸盐微球的纳米纤维放大400倍光学显微镜照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

用天平称取0.1g海藻酸钠并将其溶解于10mL超纯水中，搅拌振荡溶解完全得到海藻酸钠水凝胶；在搅拌的条件下，将1mL海藻酸钠水凝胶逐滴地加入到10ml溶有0.05gSPAN-80的二氯甲烷溶液中；随后加入质量分数5％氯化钙溶液0.5ml，然后继续搅拌至形成均一稳定的乳化液；最后加入0.8g聚(乳酸-己内酯)P(LLA-CL)[75:25]，继续搅拌至高聚物在溶液中完全溶解。对得到的溶液进行静电纺丝，施加电压为20kv，接收距离15cm，纺丝推进速度1.0mL/h，喷丝口直径为0.9mm。所得的纳米纤维直径在500nm-1500nm之间，微球附着在纤维上，直径在1000nm-3000nm之间。

实施例2

用天平称取0.05g海藻酸钾并将其溶解于5mL超纯水中，搅拌振荡溶解完全得到海藻酸盐水凝胶；在搅拌的条件下，将0.8mL海藻酸盐水凝胶逐滴地加入到10ml溶有0.05gSPAN-80的二氯甲烷溶液中；随后加入质量分数5％氯化钙溶液0.4ml，然后继续搅拌至形成均一稳定的乳化液；最后加入0.7g聚(乳酸-己内酯)P(LLA-CL)[75:25]，继续搅拌至高聚物在溶液中完全溶解。对得到的溶液进行静电纺丝，施加电压为16kv，接收距离16cm，纺丝推进速度1.2mL/h，喷丝口直径为0.9mm。所得的纳米纤维直径在500nm-1500nm之间，微球附着在纤维上，直径在1000nm-3000nm之间。

实施例3

用天平称取0.07g海藻酸钠并将其溶解于7mL超纯水中，搅拌振荡溶解完全得到海藻酸钠水凝胶；在搅拌的条件下，将0.4mL海藻酸钠水凝胶逐滴地加入到5ml溶有0.02gTween-80的三氯甲烷溶液中；随后加入质量分数5％氯化钙溶液0.2ml，然后继续搅拌至形成均一稳定的乳化液；最后加入0.35g聚(乳酸-己内酯)P(LLA-CL)[50:50]，继续搅拌至高聚物在溶液中完全溶解。对得到的溶液进行静电纺丝，施加电压为18kv，接收距离19cm，纺丝推进速度1.1mL/h，喷丝口直径为0.9mm。所得的纳米纤维直径在500nm-1500nm之间，微球附着在纤维上，直径在1000nm-3000nm之间。

实施例4

用天平称取0.1g海藻酸钾并将其溶解于10mL超纯水中，搅拌振荡溶解完全得到海藻酸钾水凝胶；在搅拌的条件下，将1mL海藻酸钾水凝胶逐滴地加入到10ml溶有0.05gTween-80的三氯甲烷溶液中；随后加入质量分数5％氯化钙溶液0.1ml，得到均一稳定的乳化液；最后加入0.6g聚(乳酸-己内酯)P(LLA-CL)[75:25]，继续搅拌至高聚物在溶液中完全溶解。对得到的溶液进行静电纺丝，施加电压为14kv，接收距离12cm，纺丝推进速度0.8mL/h，喷丝口直径为0.9mm。所得的纳米纤维直径在500nm-1500nm之间，微球附着在纤维上，直径在1000nm-3000nm之间。

Claims (5)

1.一种以静电纺制备海藻酸盐微球/高聚物复合纳米纤维的方法，包括：

(1)将海藻酸盐或海藻酸盐共混物溶于蒸馏水或超纯水中，配制浓度为0.01g/ml的均一海藻酸盐水凝胶，得到水相溶液A；

(2)将表面活性剂与有机溶剂按质量体积比0.1～0.5g∶100ml的比例混合均匀，得到油相溶液B；

(3)将水相溶液A和水相溶液B按体积比1∶10～15混合，并加入质量分数5％的氯化钙溶液0.1～0.5ml，振荡混匀，得混合溶液；

(4)将高聚物纺丝材料加入到上述混合溶液中，其中高聚物纺丝材料与混合溶液的质量体积比6～8g∶100ml，将其进行静电纺丝，纺丝电压为15～22kv，接收距离12～18cm，纺丝推进速度0.5～1.5mL/h，喷丝口直径为0.9mm，即得海藻酸盐微球/高聚物复合纳米纤维。

2.根据权利要求1所述的一种以静电纺制备海藻酸盐微球/高聚物复合纳米纤维的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的海藻酸盐为海藻酸钠，海藻酸钾或其两者的混合物；所述的海藻酸盐共混物为海藻酸钠与壳聚糖或海藻酸钠与明胶的共混物。

3.根据权利要求1所述的一种以静电纺制备海藻酸盐微球/高聚物复合纳米纤维的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的有机溶剂选自二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、丙酮、乙醇、N，N二甲基甲酰胺、三氟乙醇、六氟异丙醇中的一种或几种的混合物。

4.根据权利要求1所述的一种以静电纺制备海藻酸盐微球/高聚物复合纳米纤维的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的表面活性剂选自十二烷基磺酸钠、斯盘、聚山梨酸酯、甘油单双硬脂酸酯、单硬脂酸甘油脂、单硬脂酸丙二醇酯、山梨糖醇酐倍半油酸酯、乙二醇单硬脂酸酯、双甘油二油酸酯、甘油单油酸酯中的一种或几种的混合物。

5.根据权利要求1所述的一种以静电纺制备海藻酸盐微球/高聚物复合纳米纤维的方法，其特征在于：所述步骤(5)中的纺丝材料高聚物为聚乳酸-聚己内酯P(LLA-CL)，其中聚乳酸与聚己内酯的质量比为3∶3-1。

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