CN102585260B - 干燥生物材料的方法 - Google Patents
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Landscapes
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Abstract
本发明描述了一种生产含有生物材料的泡沫的方法。通过在水性溶剂中混合生物活性材料与保护剂，形成固体或半固体的糊剂。设置形成的糊剂，然后可以任选地分配成为需要的形状。可以冷冻糊剂以允许形成冰晶而作为致孔剂发挥作用。随后，将糊剂暴露于真空下的行波辐射能(t-REV)进行干燥。这导致溶剂蒸发，剩下含有生物活性材料、保护剂和相对较低的含水量的干燥材料。可以使用的生物活性材料包括细胞、微生物培养物、减毒活微生物、益生菌剂、酵母、酶、疫苗、蛋白质和任何热敏感的生物材料。通过经行波引导能量通过样品，可以实现对温度和工艺条件的良好控制。本方法提供了微粒浸取或冷冻干燥常规方法的替代方法。
Description
本申请是申请日为2007年2月1日，申请号为200780052152.4，发明名称为“干燥生物材料的方法”的发明专利申请的分案申请。
发明领域
本发明涉及干燥生物材料的方法。
发明背景
一段时间以来，已知用于生产明胶、胶原、纤维蛋白、聚(乙醇酸)(PGA)和聚(乳酸)(PLA)等的海绵的方法。尽管存在许多生产用于生物材料应用的泡沫的技术，但是，大部分涉及有机溶剂的使用，并且有些使用起来过于昂贵。一种常见的技术是溶剂铸型，接着微粒浸取。首先将聚合物溶解于有机溶剂中，然后与例如食盐的固体“致孔剂”(porogen)混合。蒸发溶剂，留下聚合物中的盐晶体铸造。接着，用水浸取该复合物以除去盐，留下多孔材料。另一类常用的技术是相分离/乳化。可以产生含有溶于有机溶剂的聚合物的泡沫，然后将水灌入泡沫中。接着冷冻泡沫，并冷冻干燥以除去溶剂和水。基于冷冻干燥的技术不适合大规模的操作。由于需要昂贵的设备、脱水速度缓慢和高能量消耗，冷冻干燥是一种非常昂贵的除水方法。
产生泡沫的常规干燥方法包括风干、冷冻干燥和真空干燥。风干通过加入离去试剂、铸造孔隙或脱盐在固体或半固体材料中产生孔隙。这种方法通常需要长时间，或通过加热来加速。冷冻干燥需要相当长的时间，且受到装置中的可用空间的限制。由于需要设备和实现升华需消耗的能量，该方法也是昂贵的。真空干燥不能控制能量输入速度，因此难于控制产生的泡沫的孔径大小或孔壁厚度。
也可以由凝胶产生多孔固体。凝胶广泛地用于食品工业，并且将溶质分散于食品中是一般惯例(Rassis等人，1997)。最近，已经提出用干燥的凝胶作为如维生素和矿物质的食品成分以及手术或治疗之后的药物的载体。水状胶体凝胶可以由多糖衍生，在低聚合物浓度时产生精细结构的凝胶，或者使用较高聚合物浓度由蛋白质衍生。干燥水状胶体凝胶的产生是简单、快速且廉价的。其在孔隙率和机械强度方面的物理性质的控制使得它们能够用于较宽范围的目的。它们也可以用来控制特定干燥食物产品的声波响应，并且具有将来用于无数不同的领域的极大潜力，从食品和包装到医学和医学护理、日常用品、耕作和农业、和环境化学甚至电子工业。
水状胶体凝胶具有在合适的溶剂中膨胀的网状结构。凝胶的膨胀涉及聚合物基质弹性延伸产生的网络压力的增加。当该网络压力通过脱水变得松弛时，可能发生收缩。脱水过程中，亲水聚合物基质在干燥前被水包围，并在干燥后被空气包围。可以认为这些相分别是良好的和较差的溶剂。较差的溶剂可以有利于聚合物-聚合物之间的相互作用，因而可以诱发自发的皱缩(collapse)。在脱水过程中溶剂性质的改变诱导皱缩。也可以认为毛细作用力是皱缩的一个原因。收缩或皱缩的终点可以是产物从橡胶态到玻璃态的转变。水状胶体凝胶的物理学表明，填充物微粒的渗透可以导致刚性的剧烈增加(Eichler等人，1997)。
当大颗粒形式的两种聚合物混合在一起时，干燥材料中存在聚合物混合物的相分离的可能性。这种类型的分离取决于如聚合物在所用溶剂中的各自的溶解性、与基质表面的相互作用、沉积方法和干燥方法等各种参数。为了避免这些问题，混合并干燥聚合物的纳米微粒(参见，Kietzke等人，2003)。他们证明含有各种聚合物的纳米微粒的水性分散体可以通过“微乳化”方法产生。他们首先将聚合物溶解于合适的溶剂中，然后将其加入含有合适的表面活性剂的水溶液中。通过施加高剪切力，获得含有聚合物溶液小液滴的稳定的乳剂(所谓的微乳剂)。
在其产生之后立即，或者在其浸于不同的碳水化合物溶液中以改变其物理和化学组成之后，通过冷冻脱水产生水状胶体泡沫和海绵。产生的干燥的多孔结构是固体结构中相互连接的孔的网络。改变制备程序可以改变这些海绵的机械性质。例如，湿琼脂凝胶中的内在的气泡剧烈地降低干燥海绵的机械完整性，并影响其孔隙率。但是，在藻酸盐海绵中使用同样的方法只导致较小的机械改变(Nussinovitch等人，1993)。包括在藻酸盐凝胶中的油削弱干燥海绵的机械强度，降低其破裂(failure)时的应力和刚度(如可变形模量所反映的)，并改变干燥海绵的孔的大小分布和结构(Nussinovitch和Gershon，1997)。海绵的水塑化改变其应力-应变行为。真空干燥的海绵或那些适应于0.33水活度的海绵通过脆性破裂皱缩。适应于0.57和0.75的水活度的海绵似乎通过弹性屈服皱缩(Rassis等人，1998)。
大部分凝胶具有低固体含量，因此具有相当低的可有效干燥的总固体。水状胶体泡沫和海绵是经济上可行的干燥凝胶产物，取决于涉及的干燥方法的成本。
多孔固体基于小室壁(cell wall)和完整的多孔结构，具有低的密度和低的机械强度。可以根据以下特征对其结构分类：小室壁的柔性相对于脆性；多孔固体的主体中孔大小的分布；开放的小室相对于闭合的小室；小室壁的厚度和形状；和以不同的长度标度提到的结构均匀性。多孔固体的最有价值的性质是其密度、传导性、杨氏模量(Young’smodulus)和强度。多孔固体通常具有小于0.3kg/m3的相对密度，但它们可以达到更低的值。多孔固体的不同结构导致宽范围的这些性质和更广的应用。低密度物质转化为可以漂浮的轻的、硬的、大的轻便结构。其低导热性产生隔热性。
本领域需要新的和改进的由水状胶体生产泡沫和海绵的方法。进一步需要允许在干燥热不稳定或热敏感材料过程中良好控制温度的干燥生物活性材料的方法。
发明概述
本发明提供了干燥生物活性材料的方法。该方法包括在水溶液中混合生物活性材料与保护剂，形成糊剂(paste)，并将糊剂暴露于真空下的行波辐射能。通过在真空下一般以单向方式引导辐射能，该方法允许干燥过程中对样品温度进行精密调节。
本发明提供了干燥生物活性材料的方法，包括以下步骤：在水性溶剂中混合生物活性材料与保护剂以形成糊剂；并将糊剂暴露于真空下的行波辐射能，以从糊剂中沸腾溶剂。
产生的干燥的生物活性材料呈现泡沫或海绵状的外观，并且可以用于再水合，或者可以碾碎成较小的部分并散布于其它产品中。该方法有利地允许干燥热敏感或热不稳定的生物成分，如微生物(细菌培养物、减毒活微生物、益生菌剂(probiotics)、酵母等)、酶，或药物，如疫苗和抗生素。通常可适用于泡沫和海绵的其它用途也是根据本发明形成的干燥生物活性材料的可能的用途。
在结合附图阅读以下的本发明具体实施方案的说明后，本发明的其它方面和特征对于本领域的技术人员来说是明显的。
附图简述
下面仅是为了举例说明，参考附图，描述本发明的实施方案，其中：
图1A是显示根据本发明的实施方案制备水状胶体凝胶多孔海绵的特定方法的流程图。
图1B是显示根据本发明的实施方案制备泡沫的一般方法的流程图。
图2显示具有0.16kPa的平均初始杨氏模量的泡沫的孔间通道大小分布。
图3显示具有6.1kPa的平均初始杨氏模量的泡沫的孔间通道大小分布。
图4显示具有16.3kPa的平均初始杨氏模量的泡沫的孔间通道大小分布。
图5显示具有27.1kPa的平均初始杨氏模量的泡沫的孔间通道大小分布。
图6显示具有274.4kPa的平均初始杨氏模量的泡沫的孔间通道大小分布。
图7显示具有732.5kPa的平均初始杨氏模量的泡沫的孔间通道大小分布。
图8显示具有1175kPa的平均初始杨氏模量的泡沫的孔间通道大小分布。
图9显示具有3000kPa的平均初始杨氏模量的泡沫的孔间通道大小分布。
图10显示具有0.16kPa的平均初始杨氏模量的干燥多孔固体的应力-应变关系。
图11显示具有6.1kPa的平均初始杨氏模量的干燥多孔固体的应力-应变关系。
图12显示具有16.3kPa的平均初始杨氏模量的干燥多孔固体的应力-应变关系。
图13显示具有27.1kPa的平均初始杨氏模量的干燥多孔固体的应力-应变关系。
图14显示具有274.4kPa的平均初始杨氏模量的干燥多孔固体的应力-应变关系。
图15显示具有732.5kPa的平均初始杨氏模量的干燥多孔固体的应力-应变关系。
图16显示具有1173.5kPa的平均初始杨氏模量的干燥多孔固体的应力-应变关系。
图17显示具有3000kPa的平均初始杨氏模量的干燥多孔固体的应力-应变关系。
图18是具有6.1kPa的初始模量的泡沫的SEM图。
图19是具有16.3kPa的初始模量的泡沫的SEM图。
图20是具有27.1kPa的初始模量的泡沫的SEM图。
图21是具有732.5kPa的初始模量的泡沫的SEM图。
图22是具有1173.5kPa的初始模量的泡沫的SEM图。
图23显示根据现有技术方法形成的风干的海绵的应力-应变关系。
图24显示根据现有技术方法形成的真空干燥的海绵的应力-应变关系。
图25显示根据现有技术方法形成的冷冻干燥的海绵的应力-应变关系。
图26显示根据本发明形成的海绵的应力-应变关系。
图27是根据现有技术方法形成的风干的海绵的SEM图。
图28是根据现有技术方法形成的真空干燥的海绵的SEM图。
图29是根据现有技术方法形成的冷冻干燥的海绵的SEM图。
图30是根据本发明形成的海绵的SEM图。
图31是用于对如细菌培养物、减毒活微生物、益生菌剂、酵母等微生物脱水的t-REV方法的图示。
图32是用于对如细菌培养物、减毒活微生物、益生菌剂、酵母等微生物脱水的t-REV冷冻和冷冻干燥方法的图示。
图33显示在10和30托真空下唾液乳杆菌(Lactobacillus salivarius)在t-REV脱水过程中的温度曲线图。
图34显示在t-REV之前和之后的溶菌酶的酶活性。
图35显示脱乙酰壳多糖-溶菌酶混合物在REV方法中的温度曲线图。
图36显示含有100或200mg/g的干燥青霉素G的水凝胶在磷酸盐-柠檬酸缓冲液中、25℃下随时间的青霉素释放。
图37显示青霉素在磷酸盐缓冲液中在25℃下的分解曲线。
图38显示每g干燥物含有0、100mg和200mg青霉素G的脱水水凝胶的吸水能力。
图39是用于诱导真空下行波辐射能(t-REV)的示例性装置的示意图。
图40是用于诱导真空下行波辐射能(t-REV)的另一个示例性装置的示意图。
图41显示用于诱导真空下辐射能(REV)的典型的共振腔。
发明详述
本发明提供了从水状胶体产生固体、干燥泡沫和海绵的方法。
如本文所用，术语泡沫指在其中形成相互连通的开放小室(cell)或孔隙的基质，并且可以是刚性或柔韧类型的任何这样的产物。本文所用的术语海绵指一种类型的柔性且具有一定程度的吸收性的泡沫。海绵可以被认为是含有一定的含水量的泡沫，该含水量允许泡沫是柔软并且有些柔韧的。根据本发明，可以形成多种泡沫类型，包括海绵。
本文所用的术语辐射能是指能够穿透凝胶材料的电磁能。这可以根据波长进一步限定在，例如，微波或射频的范围，其需要1厘米-10米的波长。
术语REVTM意思是真空下的辐射能。
术语t-REVTM意思是真空下的行波辐射能。行波由波源发出，以定向的方式通过样品，在样品周围或通过样品时没有明显的反射或偏转。这可以通过引导来自波源的辐射能以通常为单向的方式穿过样品来实现。可以使用波导以这种方式引导辐射能。能量在通过样品之后可以猝灭，或以其它方式分散，以防止明显的偏转或反射回来通过样品。一种示例性的猝灭辐射能的方式是在波导的末端放置水负载以吸收能量。
本文所用的术语小室和孔隙可交换使用，表示疏松的泡沫结构中的空隙。
本文所用的术语“糊剂”或“凝胶”是指任何可能具有或可能不具有胶凝稠度的固体或半固体材料。糊剂或凝胶可以包含导致稠度大于液体的组分。糊剂或凝胶可以在水性溶剂中包含水状胶体聚合物材料。任选地，其它成分可以包含在糊剂或凝胶中，如活性成分。作为半固体，糊剂或凝胶可以有些柔韧或松软，只要当糊剂或凝胶暴露于真空下的辐射能时可以获得需要的形状或容纳性即可。
本发明的实施方案提供了通过对纯的形式或与保护剂混合的形式的生物材料脱水进行保护的方法。该方法可以用于各种应用，包括用于干燥纯的培养物、减毒活微生物、用于食品添加剂的益生菌剂、补充物、酶、疫苗、药物载体或强化动物饲料。
本方法的实施方案包括制备生物材料的糊剂，其具有作为纯材料的大约15％或更高的固体浓度，或具有大约10％或更高的生物材料以及作为保护基质的生物可降解材料的固体浓度，然后使糊剂暴露于真空下的辐射能(REV)。
优选使用行波辐射能作为真空下的辐射能。这可以使用任何具有以下能力的装置诱导：该装置能够通过波导引导辐射能以特定的方向通过样品，并因此最小化明显的能量偏转和/或反射，并最终将波引导至贮水容器。典型的用于诱导这样的行波辐射能的设备是加拿大温哥华(Vancouver)的Enwave Corporation的VMD 900W型辐射能真空设备。
在暴露于真空下的辐射能之后，可以将干燥的材料碾成适合包含在其它产品中的粒度。当采用保护基质时，干燥处理的产物包含单独的或包埋在连续惰性材料基质中的生物活性化合物。包埋生物活性材料的REV的热稳定性将受到与基质材料的相互作用的影响。干燥产物的热稳定性和存储稳定性可提高。通过选择较高或较低溶解度的基质材料，可以控制生物活性材料从基质中的释放速度。本发明允许定制设计与其实际应用相匹配的适用于特定生物材料的载体基质。
本文称为真空下的辐射能或者REV的真空和微波能量的组合可以提供一种快速有效的干燥方法，该方法产生具有独特特征而保持生物功能的产物。相比常规的干燥方法，干燥可以具有最小的损伤。电磁波穿透生物材料，并转化为热能，提供均匀和快速的加热。
真空(即低于760托绝对压力的标准大气压的压力)使水的沸点降至低于100℃，并产生增加物质和热传递速度的压力梯度。水的原位蒸发提供使被干燥的产物保持开放和多孔结构的膨胀力，进一步提高干燥速度。
在该过程中温度可以保持在低水平，并且干燥在低氧压力下快速发生。这使得对被干燥的材料的生物活性的损害最小化。许多报告中已经描述了真空微波脱水，其允许来自植物的组织-食物的脱水，并且极好地保持了气味、维生素等。
Durance等人描述了由如淀粉、甲基纤维素、果胶等水状胶体的凝胶或溶液形成干燥多孔材料的REV技术(参见，以WO/2006/010273公开的PCT/CA2005/001192)。该方法教导了在真空微波脱水器的共振腔设计中的REV，所述真空微波脱水器引导微波能量进入作为对于微波共振腔的真空室。共振腔是具有足够大的尺寸的金属室，使得微波能够反射离开壁，并形成多波形驻波图。在该设计中，引入腔中的微波被金属室的壁反射，从而多次通过处理的材料，直至它们最终被吸收。这可以是能量有效设计，因为大部分微波能量最终被待脱水的材料吸收。
根据本发明，通过使用诱导真空下的辐射能进入待干燥的样品的行波模式，可以实现更多的温度控制。当波在共振腔中反射时，随着材料干燥，装置的总微波功率输出必须被样品中越来越少的水和材料吸收，这可以被称为“热逸散”。共振腔的使用需要待处理的材料的负载量与装置的输入微波功率相匹配。干燥时，由于材料吸收充足的微波功率，相对于装置的微波功率较小的材料量可以达到高温。一个备选方案是基于Metaxas和Meredith(1983)在Industrial Microwave Heating，PeregrinusLtd，London中所述的行波原理的本发明的行波REV方法。
在行波微波施放器中，将待加热的材料不是放置于共振腔中而是放置于波导中，并且将微波从一端引入波导中。优选波导具有合适的大小，使得微波从波导的一端向另一端传播，并且不倾向于从波导的一侧向另一侧反射。将吸收不被波导中的材料吸收的任何微波能量的水负载附着在远离微波源的波导末端。因此微波只通过材料一次，并且如果它们在这次通过时没有被吸收，则继续沿波导向下并被水负载吸收。
通过将真空室引入行波波导中，材料可以是在具有极好的温度控制的REV条件下的处理材料。这具有允许细胞、培养物和其它热敏感的材料在精密调节的温度下处理以避免处理中的结构损伤的优势。在真空处理下的行波辐射能在本文中可交换地称为t-REV。t-REV方法通过将均匀的微波暴露施加于样品上而允许极好地控制温度以保持生物活性，并产生均匀的产物。可以通过t-REV处理非常少量的材料而无需过度加热，因为热逸散是最小的。
根据本发明，可以干燥纯的微生物培养物、减毒活微生物、益生菌剂和疫苗。冷冻干燥或冻干法是最常见的制备干燥的活细菌培养物和其它微生物的方法。尽管相比喷雾干燥或其它风干方法，冷冻干燥导致较高的微生物存活率(即，生命力)，但是它需要较长的处理时间和昂贵的设备。另外，冷冻和融化处理与生命力的一些损失有关。研究已证明，冷冻干燥对于所有益生生物体的生命力具有有害效应。益生菌剂是含有可能有益的细菌或酵母的饮食补充物。益生菌培养物用来帮助体内消化道内天然存在的菌群自身重新建立并抵抗病原体。
疫苗是减毒或灭活的微生物或微生物的免疫原活性成分的悬浮液，其施用是为了预防、改善或治疗传染性疾病。疫苗在宿主体内引起类似于活性病原体但没有疾病症状的免疫应答，从而使机体准备好当真正的病原体侵入机体时和如果侵入机体，则快速对抗该病原体。尽管传统上疫苗以液体形式分散，但是目前许多干燥疫苗制剂正在生产和开发。干燥疫苗预期可以节省储存、分配费用以及更加方便、安全地向病人施用。冷冻干燥是最常见的疫苗脱水方法。干燥疫苗的实际生命力水平类似于生命力损失一般为0.5log10或更大的其它干燥微生物制剂的水平。
在本文提供的实施例中，选择益生菌作为代表性的生物活性材料，并选择脱脂奶粉、乳糖、海藻糖和蜂蜜作为保护性基质材料。
如果希望形成海绵或泡沫，本文概述了由水状胶体制备海绵或泡沫的一般步骤。形成水性凝胶，然后将凝胶暴露于足以导致溶剂沸腾的水平的真空下的辐射能场，从而形成泡沫。下面进一步详述每一步骤。
第一步，通过在水性溶剂中溶解一种或多种合适的聚合物材料形成固体或半固体水性凝胶。适于产生水状胶体海绵的聚合物材料是那些能够在水溶液中形成水状胶体的聚合物材料，本领域的技术人员容易确定其容量。这样的聚合物材料在本文中可交换地称为水状胶体聚合物材料。这样的材料也可以用作保护根据本发明干燥的生物活性材料的保护剂。
示例性的保护剂和/或水状胶体聚合物材料包括但不限于邻苯二甲酸乙酸纤维素(CAP)、羧甲基纤维素、果胶(低水平和高水平甲氧基果胶)、藻酸钠、甘油、羟丙基甲基纤维素(HPMC)、甲基纤维素、角叉菜胶、阿拉伯树胶、黄原胶、刺槐豆胶、分离出的大豆蛋白质、脱乙酰壳多糖、麦芽糖糊精、胶原、藻酸盐、聚乙醇酸、如木薯淀粉、玉米淀粉、马铃薯淀粉的淀粉和明胶。保护剂不一定是水状胶体聚合物材料，例如，也可以使用脱脂奶粉和如乳糖、海藻糖的糖或蜂蜜。
保护剂或聚合物材料溶解在其中的溶剂是水性溶剂，例如，蒸馏水。但是，所述溶剂可以包含其它液体成分作为添加剂。例如，这样的添加剂可以是如椰子油、玉米油、花生油、氢化植物油、橄榄油、矿物油等油。在包含可能不直接溶于水性溶剂中的油或其它添加剂的例子中，可以形成乳剂或“微乳剂”，以确保最终形成的凝胶是均匀的和均质的。
任选地可以向溶剂中加入表面活性剂，例如，甘油、丙二醇、卵磷脂、吐温-80、吐温-20或如白蜡、蜂蜡的蜡等。任选地，基于湿重，溶剂可以占总凝胶的70％-95％。但是，更稀或更浓的凝胶需要时可以用于特定的应用。只要沸点处于不破坏泡沫的成分的生物活性的温度，可以使用其它非水性的溶剂。低于70℃、优选低于37℃的沸点是可能的。但是，当使用水作为溶剂时，认识到使用水性溶剂的优势，没有使用令人难受的有机溶剂的必要性。
在使用水状胶体聚合物材料形成海绵或泡沫的情况时，为了将活性材料均匀地加入形成的泡沫基质中，可以任选地在任意点向溶剂中加入活性成分。示例性的活性材料包括细胞、培养物、疫苗、酶、药物和其它生物活性化合物。例如，杀微生物剂、杀精子剂、杀真菌剂、如青霉素或梭链孢酸的抗生素、抗癌药物、心脏病药物、抗高血压药、抗排斥药、胰岛素、生物蛋白质、碳水化合物、激素(如那些可以用于节育应用的激素)、如维生素、矿物质的营养物或抗氧化剂。在本发明用于干燥与保护剂组合、但不一定与聚合物材料组合的生物活性材料的例子中，可以使用不含这种聚合物材料的这些生物活性材料。
可以向糊剂中加入其它成分，以产生预期效应。例如，可以加入酸和碱，如柠檬酸、碳酸氢钠等等，使得酸-碱反应可以发生。
根据本发明，可以采用水状胶体的各种组合，以开发具有需要的杨氏模量值的湿的水凝胶。为了获得不同的孔径大小或泡沫性质，水状胶体凝胶的杨氏模量是一个可以根据本发明的方法控制的因素。通过评估此阶段的这一参数，该方法有利地允许控制形成的泡沫的最终性质。
在将生物活性材料和保护剂与溶剂和任何任选的添加剂组合之后，形成糊剂，糊剂可以任选地根据需要按比例分配、成形或切割成需要的部分、大小或构型。
糊剂冷冻是进一步的任选步骤，可以在将凝胶暴露于真空下的辐射能之前进行。如果进行，冷冻步骤可以在辐射能和真空条件下干燥的过程中有利地控制或帮助保持凝胶温度。冰和水的介电性质的大变化帮助冷冻的凝胶样品在干燥过程中温度升高。未冷冻的样品在干燥过程中也升高温度，但是通过冷冻凝胶，温度升高的速度受到影响，且可以控制泡沫性质。有利的是，在泡沫形成之前冷冻凝胶可以帮助维持均匀的温度升高。在某些凝胶中，任选的冷冻步骤也允许形成作为″致孔剂″发挥作用的冰晶。冰晶的大小影响最终材料中的孔的大小和数目。通过调整凝胶的冷冻速度和冷冻温度来控制其大小；低温和快速冷冻将产生小晶体；而较高温度下的缓慢冷冻产生较大的晶体。典型的冷冻方案是-80℃进行1-3小时。当然，为了控制需要的泡沫特性，这种冷冻温度和时间是可以变化的。
第二步，根据本发明的实施方案，将糊剂暴露于真空下的行波辐射能。辐射能暴露和应用真空的结合在本文中可以交换地称为t-REVTM。以足以导致溶剂沸腾的水平应用辐射能和真空条件的结合效应，而且生物活性材料变得干燥。
在真空室中，应该最佳地保持应用的真空在0-760mmHg之间，示例性的范围是30-760mmHg。在该室中可以达到10-30mmHg(或托)的典型的值。
真空室可以构造为允许凝胶通过真空下的辐射能场连续进料。可以采用分批处理或连续进料方法。
对于用来形成泡沫的凝胶，典型的初始杨氏模量值的范围可以是大约0.16kPa-3000kPa。当然，该范围之外的值也可以用来实现需要的性质。
应用的辐射能典型地为100-5000瓦，其典型地应用到1千克初始物质上，示例性的范围是100-2000瓦。对于较小的批次，例如，当批量大小是1-2g时，可以将应用的能量调整到该范围的下部，例如，100-300瓦。一种可能的应用能量的方式是通过微波功率。根据本发明，可以使用能够以通常为单向的方式引导微波通过样品的微波诱导设备诱导行波辐射能。一种这样的设备是可从加拿大温哥华(Vancouver，BC)的Enwave Corporation获得的VMD 900W型。可以控制这种设备的室中的压力，以获得必需的性质。在这样的室中可以达到10-30mmHg(或托)的典型的值。
典型地，使用本发明的方法形成的小室的平均直径可以是0.003-500微米。当然，这是示例性的范围，如果需要，也可以获得该范围之外的孔径。
典型地，由此方法产生的干燥生物活性材料、泡沫或海绵中的理想的水活度水平低于0.85，从而限制形成孢子细菌的细菌生长。当然，对于某些应用，可能需要较高的水活度，并且可以其它方式阻止细菌生长。在某些材料中，低于0.60的水活度可能是合乎需要的，而且进一步，某些材料可能受益于低于0.55或低于0.30的水活度，以获得需要的化学稳定性。有利的是，本发明的方法允许对水活度的良好控制。
在干燥室中，为了获得均匀的辐射能吸收，可以任选地允许湿的糊剂或凝胶保持恒定的替换。
有利的是，当待加入凝胶中的活性成分被认为太敏感而不能通过其它需要较高热量的方法干燥或加入泡沫中时，可以采用本方法。因为在真空下应用行波辐射能，比不应用真空或没有任何方向效应地应用能量产生更少的热量。这允许加热待干燥的和/或待加入泡沫基质中的热敏感的细胞，如微生物培养物、减毒活微生物、酶、酵母、益生菌剂或药物，而没有破坏它们的危险。在应用能量和真空的适当组合的条件下，可以慎重使用不能承受大于大约20℃的温度的对温度非常敏感的成分。使用可反射微波能量的金属对于微波能量应用来说是不合适的。
可以任选地应用其它类型的加热，例如，水加热、电加热或常规加热，以加快溶剂沸腾或在产生的泡沫中获得需要的性质。但是，本发明比现有技术的干燥方法的优势在于：不需要这样的常规溶剂沸腾方法，因而该方法适于加入热敏感的化合物或材料。
根据本方法形成的干燥材料、泡沫和海绵，具有使用常规干燥方法不能再现的特征。尤其地，产生的小室的均匀性和室壁的厚度是本发明的方法产生的并且易于通过本发明的方法控制的特征。可以获得0.003-500微米的孔径。但是，在现有技术中，需要采用另外的、与干燥步骤分开的孔隙形成技术来产生这样的孔隙。例如，当结合使用常规干燥方法时，气体起泡、相分离和盐浸取方法可以产生各种大小的孔隙。本发明的优势在于：尽管可以任选地采用补充的孔隙形成技术以实现需要的效果，但是孔隙的形成不需要这些技术。
图1A提供了说明根据本发明的实施方案制备水状胶体凝胶多孔海绵的流程图。简单地说，选择材料。在该例子中，使用聚合物材料、表面活性剂和水性溶剂。制备选择的聚合物材料的混合物(本文称为“微乳剂”)。任选地，在-35℃下冷冻微乳剂大约18小时。作为进一步的选择，进一步在凝胶化中处理微乳剂，例如，通过切割、模制或添加另外的添加剂。作为进一步的选择，可以冷冻凝胶化的微乳剂。随后，将凝胶暴露于真空下的辐射能，在该例子中，示例的条件是为100-300g的批量大小提供的。可以理解：本发明可以扩展到本实例以外，以包括这些范围之外的处理条件。通过选择合适的处理条件调整水活度。
图1B提供了说明根据本发明的实施方案制备泡沫的流程图。一般地，使用选择的聚合物材料在水性溶剂中制备凝胶。随后，通过将凝胶暴露于足以通过沸腾溶剂将凝胶吹成泡沫的水平的真空下辐射能而形成泡沫。作为任选的步骤，可以加入如活性成分(例如，药物)的添加剂，且凝胶可以在暴露于真空下的辐射能之前冷冻。
可以认识到相对于通常用于生物材料海绵的现有的脱水方法，使用真空下的辐射能干燥具有许多优势。例如，使用本发明的方法，不需要增加另一个步骤来使用补充方法在泡沫中产生孔隙，因为它可以并入到干燥步骤中。例如，盐浸取、气体起泡、相分离等不是必需的。当然，这些步骤可以任选地加入到发明方法中，但它们不是获得泡沫结构所必需的。使用真空下的辐射能干燥凝胶，由于产生蒸汽，通过在材料内部和外部之间建立的压力差形成泡沫中的孔隙。
本发明的某些方面的另一个优势在于不需要使用有机溶剂来制备泡沫和海绵。对于常规的干燥方法，可以加入有机溶剂，然后在处理或干燥步骤中除去。当然，根据本发明，为了实现预期的效果，可能需要向水性溶剂中加入某些有机溶剂，这是可以采取的选项。但是，这不是本发明所必需的。根据本发明，可以通过物理移动材料通过如微波场的辐射能场实现电磁能的均匀吸收。在使用微波的情况下，微波能被直接吸收到材料中。如果该处理在真空下进行，则会发生快速干燥，并且在材料中产生孔隙。此后，可以通过脱水稳定产物的多孔形式，以增加泡沫刚性至需要的水平。在脱水过程中，由于任选地应用热能的效应，可能发生水凝胶材料的另外的交联。
根据本发明形成的泡沫的进一步的优势在于，由于较厚的孔壁和任选的可以用于化学加强小室壁的热交联，制备的泡沫比用其它方法制造的泡沫更坚固和更具刚性。在干燥过程中形成孔，因而不需要单独的形成孔的步骤。通过控制材料的杨氏模量性质、应用的真空强度和应用的辐射功率，本发明的方法允许控制孔隙大小以及形式的强度和刚性。有利地是，可以获得开放的、相互连通的孔结构，这是需要可接近表面的许多应用所希望的。另外，可以脱水至任何水活度，不仅仅是用冷冻干燥达到的非常低的水活度(低于0.40)。为了获得较软的海绵，可能需要具有较高的水活度(接近0.85)。
根据湿水凝胶的密度和杨氏模量，孔隙大小的增加或减少是可行的。不同于冷冻干燥，一经REV干燥，加入本发明的泡沫中的油产生具有高机械强度的泡沫。此外，具有较高的初始杨氏模量的材料具有比中等孔和大孔更多的微孔。另一方面，处于对于特定材料来说易于测定的杨氏模量水平时，中等孔和微孔的百分比随杨氏模量的增加而增加。该水平后，通过提高杨氏模量可以观察到相反的效应。
杨氏模量是起始材料的性质，并且可以通过使用水状胶体聚合物材料、生物材料、溶剂、添加剂和/或表面活性剂的不同的比例与组合来改变。在下面的实施例中，测试的水凝胶的杨氏模量的范围是0.16-3000kPa。发现孔隙大小的增加趋势最高到274.4kPa，之后，趋势开始减弱。根据本发明，可以控制干燥固体的硬度。硬度随初始杨氏模量的增加而增加。通过调整湿水凝胶的初始杨氏模量和/或通过改变应用的真空水平，也可以控制孔隙大小。通过遵循用于制备湿水凝胶的不同的交联程序以及通过改变所用的材料的类型和用量，可以改变初始杨氏模量。
不同于其它的脱水技术，真空下的辐射能的应用在产生的泡沫中获得较大的孔壁强度，这可能是由于脱水过程中的热交联。这可以通过下面的实施例中提供的应力应变关系曲线来说明。
根据本发明形成的泡沫或海绵具有许多用途。一种这样的用途是作为内部或外部吸附剂，例如，在手术之后或烧伤的处理中。如果海绵可以被人体降解，它可以留在原处，因此就不存在与常规吸附剂的除去和替换有关的问题。基于凝胶的海绵或泡沫应该满足的一个条件，除了其适合性、吸收能力和可降解性以外，就是它对于某些应用应该是机械稳定的。
某些水状胶体海绵，被称为杀微生物海绵，已被证明具有作为预防包括AIDS和疱疹在内的性传播疾病(STD)的病原体传播的预防剂的潜力(Neurath等人2003)。杀微生物海绵可以有利地具有以下特征：1)杀微生物活性是泡沫的内在性质，所以泡沫的结构成分包括活性成分，2)它应该吸收生理液体然后分解；3)病原体应该与泡沫结构结合，并快速失活；4)泡沫可以转化为软凝胶因而不需要除去；5)如果产品适合用于发展中国家，需要低生产成本；6)同样需要对工业大量生产的适应性，以及生产和包装的综合；和7)加强健康酸性阴道环境的能力，以及导致产品作为直肠杀微生物剂的应用的改变潜力，是有用的特性(Neurath等人，2002)。
组织工程应用也可以采用根据本发明产生的泡沫。该泡沫可以提供多孔支架，组织在其上可以生长。更进一步，该材料可以提供生物可降解的复合物，所述复合物可以在人体或动物体内结构上使用，并在治愈过程中按需要缓慢分解或者缓慢释放出形成复合物的成分。在骨组织的情况中，作为支架使用的泡沫的开放的单元(cell)结构可以允许骨组织的生长，并且甚至可以用来提供促进细胞或组织形成的营养物或材料。在某些应用中，可以由生物材料(例如，胶原、脱脂奶粉、乳糖、海藻糖或蜂蜜)制备海绵或泡沫本身，并且可以实现对温度的完全控制，使得加入泡沫中的任何生物材料在较高温度下不会变性。例如，如果生物材料用作聚合物材料，那么为了确保对生物分子没有不利的效应，可以维持低于65℃的温度，或者甚至低于37℃。用于此应用的这样的成分可以包括细胞、微生物、减毒活微生物、酵母、益生菌剂、抗生素、疫苗、生长促进物质、激素和如酶的生物蛋白质。
根据本发明形成的海绵或泡沫也可以用于目标药物的递送。如上指出，如药物的生物活性成分可以加入泡沫的结构中，使得药物保持在结构中。假如将这样的结构植入人体或动物体中，生物可降解的泡沫的缓慢释放导致药物向植入泡沫的局部区域的释放。这些药物或活性剂的释放速度可以通过泡沫的特性来控制。再者，本方法提供了巨大的优势：甚至可以将热敏感的药物加入结构中，因为干燥方法以避免可能破坏或使这些成分变性的高温的方式使用真空和辐射能的组合。
当用于手术部件或其它涉及人体或动物体的手术操作的应用时，海绵或泡沫可以用来吸收，用来代替除去的材料，用作新组织可以在其上生长的支架，或作为需要时向手术区域释放药物以(例如)防止感染或排斥的缓释效应。
作为伤口敷剂，根据本发明制备的海绵或泡沫可以用于身体内部或外部。在海绵或泡沫的基质中加入医学或其它方面的活性成分的缓慢可生物降解的伤口敷剂选项包括在本发明中。
下面提供根据本发明形成的海绵或泡沫的实施例。
实施例1
冷冻形成的杀微生物海绵
使用旋转式实验室混合器(Ultra Turrax，T25 basis；IKA Labortechnic)均匀地混合比例为2∶3∶1∶1(％w.b)的果胶、CAP、甲基纤维素和甘油。在混合后，使均匀的混合物凝胶化。使用实验室水浴(Magni涡旋恒温水浴(Whirl constant temperature bath)，Blue M electric company，ILL，USA)加热混合物至高达80±5℃，然后使之冷却到室温。冷却步骤之后，使用圆形空心圆柱模具将凝胶化的材料切割成需要的形状。
在测量初始含水量(烘箱法)和杨氏模量(使用Texture Analyzer，TA-XT2型，Stable Micro System，USA进行压缩测试)之后，使用FormaBio Freezer(Forma Scientific)在-35℃快速冷冻样品18±2小时。接着使用实验室真空辐射能干燥器进行干燥。在干燥过程中，维持绝对压力为51mm Hg(即，真空水平是709mm Hg)，并且应用的微波功率是300瓦；在干燥过程中，反射回磁电管的功率随产物的含水量而在50-100瓦之间变化。持续干燥过程，直至产物基于湿重达到20-25％(计算值)的含水量。
从干燥器中取出疏松的泡沫材料，并装入聚乙烯袋中。使用烘箱法和Aqua实验室水活度仪(model series 3，Decagon Device Inc.，Washington，USA)，在干燥24小时之后(使样品达到平衡)，测量干燥泡沫的最终含水量和水活度。
实施例2
不经冷冻形成的杀微生物海绵
使用旋转式实验室混合器(Ultra Turrax，T25basis；IKA Labortechnic)均匀地混合比例为2∶3∶1∶1(％w.b)的果胶、CAP(邻苯二甲酸乙酸纤维素)、甲基纤维素和甘油。在混合后，使均匀的混合物进行凝胶化处理。使用实验室水浴(Magni涡旋恒温水浴，Blue M electriccompany，ILL，USA)加热混合物至高达80±5℃，然后使之冷却到室温。冷却步骤之后，使用圆形空心圆柱模具将凝胶化的材料切割成需要的形状。
在测量初始含水量(烘箱法)和杨氏模量(使用Texture Analyzer，TA-XT2型，Stable Micro System，USA进行压缩测试)之后，使用实验室真空微波干燥器进行干燥。在干燥过程中，维持绝对压力为51mm Hg(即，真空水平是709mm Hg)，并且应用的微波功率是300瓦。持续干燥过程，直至产物基于湿重达到20-25％(计算值)的含水量。
从干燥器中取出疏松的泡沫结构，并装入聚乙烯袋中。使用烘箱法和Aqua实验室水活度仪(model series 3，Decagon Device Inc.，Washington，USA)，在干燥24小时之后(使样品达到平衡)，测量干燥泡沫的最终含水量和水活度。
表1说明实施例1和2所述的含有果胶的水状胶体海绵的性质和使用除了表中所述的工艺参数之外与实施例1和2所述类似的方法产生的变化。提供了起始材料和在REV暴露和干燥之后形成的产物的特征。这些数据说明了可能受工艺参数的变化影响和控制的产物质量。每次试验的起始质量是100克。
表2提供实施例3和4所述的HPMC水状胶体泡沫的性质和使用除了表中所述的工艺参数之外与实施例3和4所述类似的方法产生的变化。提供了起始材料和在REV暴露和干燥之后形成的产物的特征。这些数据说明了可能受工艺参数的变化影响和控制的产物质量。每次试验的起始质量是100克。
表1
含有果胶的水状胶体海绵的性质
表2
含有HPMC的水状胶体泡沫的性质
实施例3
冷冻形成的HPMC：甘油泡沫
大约6g的HPMC和甘油的混合物与94g水混合，以制备6％的固体溶液。使用两种不同粘度的HPMC。一种是4000cp，另一种是400cp。甘油的量在0-2g之间变化。两种HPMC的量根据甘油的量在1-6g之间变化。使用机械搅拌器混合总计6％的混合物与94％的水。混合之后，使用RV型布氏粘度计(Brookfield，MA，02346U.S.A)测量溶液的粘度。在干燥前，冷冻大约100g样品18±1小时。接着，使用控制的功率和压力应用REV。然后从真空微波干燥器中取出疏松的样品，并装入自密封聚乙烯袋中。
实施例4
不经冷冻形成的HPMC：甘油泡沫
将大约4g的羟丙基甲基纤维素(HPMC 4000cp)和2g甘油与94g水混合，以制备6％的固体溶液。使用两种不同粘度的HPMC。一种是4000cp，另一种是400cp。甘油的量在0-2g之间变化。两种HPMC的量根据甘油的量在1-6g之间变化。使用机械搅拌器混合总计5-6％的固体与水。在混合过程中形成泡沫。所以，混合之后，保持溶液没有任何搅动，并使泡沫静置。之后，使用RV型Brook FieldTM粘度计(Brookfield，MA，02346U.S.A)测量溶液的粘度。
在控制的功率和压力下，使用REV使大约100g样品膨胀。之后，从真空微波干燥器中取出疏松的样品，并使用自密封的聚乙烯袋包装。
实施例5
使用磁力搅拌器将大约7g藻酸钠与93g水混合，以获得均匀的溶液。将大约20g玉米淀粉或木薯粉分别与80g水混合。混合淀粉溶液和藻酸盐溶液，以达到均匀和连续的淀粉和藻酸盐相。接着，将混合的溶液逐滴分配到1％(w/v)氯化钙溶液中。形成自发的钙交联，并且藻酸盐淀粉混合物凝胶化。产生直径为2-4mm的小珠子。接着除去氯化钙溶液，将珠子风干1小时以除去表面水分，更换几次吸水纸。在-35℃下冷冻自由流动的非粘性的珠子18小时，然后使用REV在600瓦功率和50mm Hg绝对压力下干燥。之后，取出疏松的珠子，并使用自密封的聚乙烯袋包装。在具有40倍放大倍数的显微镜下观察横切的珠子。它显示形成多孔珠子的覆盖有材料薄膜的多孔基质。
实施例6
刺槐豆胶(3％)、果胶(2％)、甲基纤维素(2％)和木薯淀粉(3％)与2％椰子油、2％蜂蜡和0.5％甘油(都为w/w)混合。不考虑加入的椰子油、蜂蜡和甘油，用来制备水状胶体溶液的水的量计算为90％(w/w)。首先熔化称重的量的蜂蜡，向熔化的蜡中加入椰子油和甘油，然后加入计算量的刺槐豆胶、果胶、甲基纤维素、木薯淀粉和水。使用手动混合器充分搅拌全部成分，以获得均匀的溶液。
将大致等量的均匀的水状胶体溶液倒入小塑料杯(底部内径43mm，顶部内径56mm，高度25mm)。将这些杯子置于-80℃冷冻器(FormaTM Bio Freezer，Forma Scientific)中，以快速冷冻并模铸该溶液。从杯中分离冷冻的模子，并在室温下将凝胶浸入1.5％的氯化钙溶液中24小时以产生凝胶。涉及凝胶制备的机制是氯化钙和刺槐豆胶之间以及果胶和氯化钙之间的交联。这使得凝胶形状稳定，并产生柔软的实体结构。所用的氯化钙溶液的量足够浸没全部冷冻的凝胶。在浸没时间中，冷冻模型的融化和交联同时发生。测量初始和最终的含水量(烘箱法)以及杨氏模量(Texture Analyzer，TA-XT2型，Stable Micro System，USA)。
使用实验室真空微波干燥器进行干燥。在干燥过程中保持绝对压力为25mm Hg，并且应用的微波功率是600-700瓦。持续干燥过程，直至产物基于湿重达到10-15％(计算值)的含水量。从干燥器中取出疏松的泡沫结构，并装入聚乙烯袋中。在使用烘箱干燥24小时之后(使样品达到平衡)，使用Aqua实验室水活度仪(model series 3，DecagonDevice Inc.，Washington，USA)测量干燥泡沫的最终含水量和水活度。
实施例7
通过混合藻酸钠2％、高水平甲氧基的果胶3％、角叉菜胶2％、甲基纤维素1％、木薯淀粉2％、甘油0.5％、椰子油2％和蜂蜡2％(都是w/w)制备水凝胶。不考虑加入的椰子油、蜂蜡和甘油，用来制备水状胶体溶液的水的量计算为90％(w/w)。首先，熔化称重的量的蜂蜡，向熔化的蜡中加入椰子油和甘油，然后加入计算量的藻酸钠、果胶、角叉菜胶、甲基纤维素、木薯淀粉和水。
将等量的均匀的水状胶体溶液倒入小塑料杯(底部内径43mm，顶部内径56mm，高度25mm)。将这些杯子置于-80℃冷冻器(Forma BioFreezer，Forma Scientific)中，以快速冷冻并模铸该溶液。从杯中分离冷冻的模子，并在室温下将凝胶浸入1.5％的氯化钙溶液中24小时以产生凝胶。涉及凝胶制备的机制是氯化钙和藻酸钠之间的交联。这使得凝胶形状稳定，并产生柔软的实体结构。所用的氯化钙溶液的量足够浸没全部冷冻的凝胶。在浸没时间中，冷冻模型的融化和交联同时发生。测量初始和最终的含水量(烘箱法)以及杨氏模量(Texture Analyzer，TA-XT2型，Stable Micro System，USA)。
使用实验室真空微波干燥器进行干燥。在干燥过程中保持绝对压力为25mm Hg，并且应用的微波功率是600-700瓦。持续干燥过程，直至产物基于湿重达到10-15％(计算值)的含水量。从干燥器中取出疏松的泡沫结构，并装入聚乙烯袋中。在干燥24小时之后(使用烘箱法使样品达到平衡)，使用Aqua实验室水活度仪(model series 3，DecagonDevice Inc.，Washington，USA)测量干燥泡沫的最终含水量和水活度。
实施例8
如实施例7所述制备藻酸钠凝胶，唯一的变化是加入碳酸氢钠和柠檬酸。加入盐和酸是为了改变孔径特征。将碳酸氢钠(1％)与其它成分混合。获得均匀的混合物之后，加入1％柠檬酸，并使用手动混合器再次混合到均拷贝。此时，由于酸起泡在盐和酸之间发生，整个混合物的体积增加。为了计算水的百分比，不包括盐和酸的百分比作为总固体。
将大致等量的均匀的水状胶体溶液倒入小塑料杯(底部内径43mm，顶部内径56mm，高度25mm)。将这些杯子置于-80℃冷冻器(Form Bio Freezer，Forma Scientific)中，以快速冷冻并模铸该溶液。从杯中分离冷冻的模子，并在室温下将凝胶浸入1.5％的氯化钙溶液中24小时以产生凝胶。涉及凝胶制备的机制是氯化钙和藻酸钠之间的交联。这使得凝胶形状稳定，并产生柔软的实体结构。所用的氯化钙溶液的量足够浸没全部冷冻的凝胶。在浸没时间中，冷冻模型的融化和交联同时发生。测量初始和最终的含水量(烘箱法)以及杨氏模量(TextureAnalyzer，TA-XT2型，Stable Micro System，USA)。
使用实验室真空微波干燥器进行干燥。在干燥过程中保持绝对压力为25mm Hg，并且应用的微波功率是600-700瓦。持续干燥过程，直至产物基于湿重达到10-15％(计算值)的含水量。从干燥器中取出疏松的泡沫结构，并装入聚乙烯袋中。在干燥24小时之后(使用烘箱法使样品达到平衡)，使用Aqua实验室水活度仪(model series 3，DecagonDevice Inc.，Washington，USA)测量干燥泡沫的最终含水量和水活度。
实施例9
如实施例8所述制备藻酸钠凝胶，唯一的不同是加入柠檬酸的时间的变化。稍后在凝胶化过程中加入柠檬酸(1％)，并且进行氯化钙处理以形成凝胶。因此，凝胶化作用和酸起泡同时发生。使用手动混合器充分混合所有成分，以获得均匀的溶液。
将大致等量的均匀的水状胶体溶液倒入小塑料杯(底部内径43mm，顶部内径56mm，高度25mm)。将这些杯子置于-80℃冷冻器(Forma Bio Freezer，Forma Scientific)中，以快速冷冻并模铸该溶液。从杯中分离冷冻的模子，并在室温下将凝胶浸入1％柠檬酸和1.5％氯化钙溶液的混合物中24小时以产生凝胶。涉及凝胶制备的机制是氯化钙和藻酸钠之间的交联，和由于碳酸氢钠和柠檬酸之间的反应而发生的气体起泡。测量初始含水量(烘箱法)以及杨氏模量(Texture Analyzer，TA-XT2型，Stable Micro System，USA)。
使用实验室真空微波干燥器进行干燥。在干燥过程中保持绝对压力为25mm Hg，且应用的微波功率是600-700瓦。持续干燥过程，直至产物基于湿重达到10-15％(计算值)的含水量。从干燥器中取出疏松的泡沫结构，并装入聚乙烯袋中。在干燥24小时之后(使用烘箱法使样品达到平衡)，使用Aqua实验室水活度仪(model series 3，DecagonDevice Inc.，Washington，USA)测量干燥泡沫的最终含水量和水活度。
实施例10
如实施例8所述制备藻酸钠凝胶，唯一的不同是加入柠檬酸的时间的变化。在使用氯化钙处理制备水凝胶之后，加入柠檬酸(1％)。使用手动混合器充分混合所有成分，以获得均匀的溶液。
将大致等量的均匀的水状胶体溶液倒入小塑料杯(底部内径43mm，顶部内径56mm，高度25mm)。将这些杯子置于-80℃冷冻器(Form Bio Freezer，Forma Scientific)中，以快速冷冻并模铸该溶液。从杯中分离冷冻的模子，并在室温下将凝胶浸入1.5％氯化钙溶液中24小时以产生凝胶。涉及凝胶制备的机制是氯化钙和藻酸钠之间的交联。该处理之后，将湿的水凝胶浸入1％柠檬酸溶液中。维持溶液的量足够浸没全部水凝胶。在这段时间中，预期由浸出碳酸氢钠溶液而形成的空间可以被柠檬酸填充，从而改变了水凝胶的强度。之后，测量初始的含水量(烘箱法)和杨氏模量(Texture Analyzer，TA-XT2型，Stable MicroSystem，USA)。
使用实验室真空微波干燥器进行干燥。在干燥过程中保持绝对压力为25mm Hg，且应用的微波功率是600-700瓦。持续干燥过程，直至产物基于湿重达到10-15％(计算值)的含水量。从干燥器中取出疏松的泡沫结构，并装入聚乙烯袋中。在干燥24小时之后(使样品达到平衡)，使用烘箱法和Aqua实验室水活度仪(model series 3，Decagon DeviceInc.，Washington，USA)测量干燥泡沫的最终含水量和水活度。
实施例11
如实施例7所述制备藻酸钠凝胶，唯一的不同是用加入玉米淀粉代替木薯淀粉。使用手动混合器充分混合所有成分，以获得均匀的溶液。
将大致等量的均匀的水状胶体溶液倒入小塑料杯(底部内径43
mm，顶部内径56mm，高度25mm)。将这些杯子置于-80℃冷冻器(Forma Bio Freezer，Forma Scientific)中，以快速冷冻并模铸该溶液。从杯中分离冷冻的模子，并在室温下将凝胶浸入1.5％的氯化钙溶液中24小时以产生凝胶。涉及凝胶制备的机制是氯化钙和藻酸钠之间的交联。这使得凝胶形状稳定，并产生柔软的实体结构。所用的氯化钙溶液的量足够浸没全部冷冻的凝胶。在浸没时间中，冷冻模型的融化和交联同时发生。测量初始的含水量(烘箱法)以及杨氏模量(Texture Analyzer，TA-XT2型，Stable Micro System，USA)。
使用实验室真空微波干燥器进行干燥。在干燥过程中保持绝对压力为25mm Hg，且应用的微波功率是600-700瓦。持续干燥过程，直至产物基于湿重达到10-15％(计算值)的含水量。从干燥器中取出疏松的泡沫结构，并装入聚乙烯袋中。在干燥24小时之后(使用烘箱使样品达到平衡)，使用Aqua实验室水活度仪(model series 3，Decagon DeviceInc.，Washington，USA)测量干燥泡沫的最终含水量和水活度。
实施例12
将明胶10％、低水平甲氧基果胶5％、玉米淀粉10％和甘油1％与75％的水混合。不考虑甘油的量，计算水的百分比。为了获得均匀的混合物，使用沸水浴加热该混合物和用手动混合器混合同时进行。在混合过程中维持溶液混合物的温度为70-80℃。在制备均匀的溶液之后，将其倒入小塑料杯(底部内径43mm，顶部内径56mm，高度25mm)以每杯中的量大致相等。将这些杯子置于10℃的冷室中，以获得硬的凝胶结构。在硬凝胶形成之后，将它们置于-80℃冷冻器(Form Bio Freezer，Forma Scientific)中冷冻，以在干燥之前快速冷冻。在冷冻样品之前，测量初始的含水量(烘箱法)和杨氏模量(Texture Analyzer，TA-XT2型，Stable Micro System，USA)。
使用实验室真空微波干燥器进行干燥。在干燥过程中保持绝对压力为25mm Hg，且应用的微波功率是600-700瓦。持续干燥过程，直至产物基于湿重达到10-15％(计算值)的含水量。从干燥器中取出疏松的泡沫结构，并装入聚乙烯袋中。在干燥24小时之后(使用烘箱法使样品达到平衡)，使用Aqua实验室水活度仪(model series 3，DecagonDevice Inc.，Washington，USA)测量干燥泡沫的最终含水量和水活度。
实施例13
如实施例12所述制备水凝胶，除了在冷室处理步骤之后，在-80℃下冷冻凝胶(Form Bio Freezer，Forma Scientific)，以达到快速冷冻。之后，将冷冻的模子浸入1.5％的氯化钙溶液中24小时以产生更高的凝胶强度。这一步骤后，测量初始含水量(烘箱法)和杨氏模量(TextureAnalyzer，TA-XT2型，Stable Micro System，USA)。在干燥前，再次快速冷冻形成的水凝胶。
使用实验室真空微波干燥器进行干燥。在干燥过程中保持绝对压力为25mm Hg，且应用的微波功率是600-700瓦。持续干燥过程，直至产物基于湿重达到10-15％(计算值)的含水量。从干燥器中取出疏松的泡沫结构，并装入聚乙烯袋中。在干燥24小时之后(使用烘箱法使样品达到平衡)，使用Aqua实验室水活度仪(model series 3，DecagonDevice Inc.，Washington，USA)测量干燥泡沫的最终含水量和水活度。
实施例14
将藻酸钠2％、果胶(HM)3％、角叉菜胶2％、玉米淀粉2％、甲基纤维素1％、甘油1％与椰子油10％(不包括在总固体计量中)混合，接着使用手动混合器将此混合物与90％的水混合，以达到均质。
将大致等量的均匀的水状胶体溶液倒入小塑料杯(底部内径43mm，顶部内径56mm，高度25mm)。将这些杯子置于-80℃冷冻器(Forma Bio Freezer，Forma Scientific)中，以快速冷冻并模铸该溶液。从杯中分离冷冻的模子，并在室温下将凝胶浸入1.5％的氯化钙溶液中24小时以产生凝胶。涉及凝胶制备的机制是氯化钙和藻酸钠之间的交联。这使得凝胶形状稳定，并产生柔软的实体结构。所用的氯化钙溶液的量足够浸没全部冷冻的凝胶。在浸没时间中，冷冻模型的融化和交联同时发生。这一步骤之后，测量初始的含水量(烘箱法)和杨氏模量(Texture Analyzer，TA-XT2型，Stable Micro System，USA)。
使用实验室真空微波干燥器进行干燥。在干燥过程中保持绝对压力为25mm Hg，且应用的微波功率是600-700瓦。持续干燥过程，直至产物基于湿重达到10-15％(计算值)的含水量。从干燥器中取出疏松的泡沫结构，并装入聚乙烯袋中。在干燥24小时之后(使样品达到平衡)，使用烘箱法和Aqua实验室水活度仪(model series 3，Decagon DeviceInc.，Washington，USA)，测量干燥泡沫的最终含水量和水活度。
实施例15
将藻酸钠1.5％、果胶(HM)3％、角叉菜胶2％、甲基纤维素1％、甘油0.5％与92％水(甘油的量包括在水的总百分比计算中)混合。混合后，将溶液倒入可以分裂为两半的圆柱管中。使用布带将管的两半粘贴到一起，以避免当溶液在其中时由于紧密地堵塞一端(称为底端)而泄露。在填充该管之后，使用合适的盖子封闭顶端。将填充的管保持在-80℃的冷冻器中以冷冻溶液。冷冻之后，通过除去阻塞、盖和密封带，将管分裂为两半。接着将此圆柱形的冷冻的溶液浸入1.5％氯化钙溶液中，以进行融化和由于藻酸钠和氯化钙之间的交联而进行凝胶化。制成水凝胶之后，将它切成高度为1-1.5cm的小圆柱片。这一步骤之后，测量初始的含水量(烘箱法)和杨氏模量(Texture Analyzer，TA-XT2型，Stable Micro System，USA)。在干燥之前将这些小片冷冻。
使用实验室真空微波干燥器进行干燥。在干燥过程中保持绝对压力为25mm Hg，且应用的微波功率是600-700瓦。持续干燥过程，直至产物基于湿重达到10-15％(计算值)的含水量。从干燥器中取出疏松的泡沫结构，并装入聚乙烯袋中。在干燥24小时之后(使用烘箱法使样品达到平衡)，使用Aqua实验室水活度仪(model series 3，DecagonDevice Inc.，Washington，USA)测量干燥泡沫的最终含水量和水活度。
实施例16
将藻酸钠3％、果胶(HM)1.5％、玉米淀粉10％、甲基纤维素2％、甘油0.5％与83％水(甘油的量包括在水的总百分比计算中)混合。混合后，将溶液倒入可以分裂为两半的圆柱管中，圆柱管使用布带粘贴，以避免当溶液在其中时由于紧密地堵塞一端(称为底端)而泄露。在填充该管之后，使用合适的盖子封闭顶端。将该管保持在-80℃的冷冻器中以冷冻溶液。冷冻之后，通过除去阻塞、盖和密封带，将管分裂为两半。接着将此圆柱形的冷冻的溶液浸入1.5％氯化钙溶液中，以进行融化和由于藻酸钠和氯化钙之间的交联而进行凝胶化。制成水凝胶之后，将它切成高度为1-1.5cm的小圆柱片。这一步骤之后，测量初始的含水量(烘箱法)和杨氏模量(Texture Analyzer，TA-XT2型，Stable MicroSystem，USA)。在干燥之前将这些小片冷冻。
使用实验室真空微波干燥器进行干燥。在干燥过程中保持绝对压力为25mm Hg，且应用的微波功率是600-700瓦。持续干燥过程，直至产物基于湿重达到10-15％(计算值)的含水量。从干燥器中取出疏松的泡沫结构，并装入聚乙烯袋中。在干燥24小时之后(使用烘箱法使样品达到平衡)，使用Aqua实验室水活度仪(model series 3，DecagonDevice Inc.，Washington，USA)测量干燥泡沫的最终含水量和水活度。
实施例17
泡沫中的孔径大小的控制
在本实施例中，进行不同的干燥水凝胶的孔径分析。下面在本实施例中讨论的图(图2-9)显示具有不同初始杨氏模量的不同水凝胶的孔径大小分布。使用水银孔径大小筛选器(Poresizer 9320，MicromeriticsInstrument Corporation，GA，USA)来发现使用真空微波干燥器获得的各种水状胶体海绵的孔径、孔径大小分布和孔体积。可以从1psia的低压到最大30,000psia的高压操作该设备，以分析不同大小的孔。该设备在高压下能够测量具有1.8nm下限的非常小的孔。可以将水银的进入和排出体积相对于孔的半径或压力在x-y坐标上绘制成连续曲线图。
为了分析水状胶体海绵，将大约0.5g的切割样品置于透度计(penetrometer)中。在用样品进行孔径大小分析之前，将它们在硅胶干燥器中干燥并存储。在将样品置于透度计球部中之后，从孔径大小筛选器的低压运行口上除去假杆(dummy rod)，并将透度计的茎缓慢地插入其中并适当地固定。然后，使用逐步水平，通过在大约50毫米汞柱(mm Hg)的真空下脱气清除吸附的气体。接着通过逐渐增加透度计中的压力，用水银填充仍然处于真空下的装有样品的透度计。在低压运行口进行高达22-25psia的初始水银填充。在安装有孔径大小分析软件的计算机中记录每次水银填充读数。在25psia压力之后，水银填充停止，并使设备恢复到大约14.2-15.2psia的大气压。之后从低压运行口上小心地取下填充有样品和水银的透度计，并擦去粘在透度计茎上的过量的水银，测量具有样品和水银的透度计的重量，接着用于在高压下运行。
通过打开排气阀、穿出离开臂(leaver arm)并填充足量的水压液体，来打开高压运行口。之后，将透度计固定在口内，使得透度计的球部接触高压运行口的底部，并将茎固定在离开臂中，然后，缓慢地穿过它，以避免气泡并紧紧固定。之后，关闭在头的顶端的排气阀。关闭排气阀之后，排气阀中的一小部分水压液体升高，并小心除去存在于升高的液体中的所有气泡。然后，使用自动控制模式在高压下运行该设备。为了提高压力，使用压缩空气源。将压力从25psia逐渐升高到30,000psia。在这次运行过程中，通过增加压力，将透度计中的水银压送到样品中存在的孔隙中。由于透度计中的压力升高，水银被压送到样品中存在的孔隙中，并且透度计的茎中的水银水平降低。自动记录茎中的水银水平下降(进入孔隙中)为作为压力的函数的体积改变。通过使用Washburn方程(方程1)将压力转化为孔隙半径，计算孔径大小分布。达到最大压力之后，通过减低压力自动从孔隙中排出水银。在设备到达大气压后，小心地从高压运行口上取下透度计，然后清洁。使用数据进行结果分析。
D＝-4*γ(cos θ)/P 方程1
其中，D(mm)是孔隙的直径，γ是所用液体的表面张力(水银，通常为480达因.cm*2)，θ是所用液体的接触角(水银，通常为140°角)，P(psia)是施加的压力。
图2至图9显示在多种条件下形成的且具有不同的平均初始杨氏模量测量值的泡沫的孔间通道大小柱状图。很明显，可以通过改变泡沫形成条件控制孔径大小。
图2显示具有0.16kPa的平均初始杨氏模量的泡沫的孔间通道大小分布。对于100-500微米的孔径大小范围，百分比是大约19％，并且泡沫在20-50微米的孔径大小范围内具有较高的孔隙百分比(28％)。由此，可以看出不同孔径大小的百分比从0.2微米到20微米逐渐增加。
图3显示具有6.1kPa的平均初始杨氏模量的泡沫的孔间通道大小分布。该柱状图说明在100-500微米的孔径大小范围内具有较高的百分比(大约50％)，而50-100微米范围为大约20％。初始杨氏模量的增加提高了大孔区域的孔径大小的百分比。
图4显示具有16.3kPa的平均初始杨氏模量的泡沫的孔间通道大小分布。该柱状图说明此范围的初始模量明显不同于在6.1kPa时观察到的值(图3)。可以看出，形成的具有6.1-16.3kPa的杨氏模量的泡沫在REV过程中将导致类似大小的孔隙形成。
图5显示具有27.1kPa的平均初始杨氏模量的泡沫的孔间通道大小分布。该柱状图显示大约55％的孔隙在100-500微米的范围中。它证明通过增加初始模量可以获得大孔区域中孔隙百分比的提高。进一步，在50-100和20-50微米的大小范围发现了类似的孔隙百分比。这证实较高的模量可以用来获得较高百分比的大孔隙。
图6显示具有274.4kPa的平均初始杨氏模量的泡沫的孔间通道大小分布。该柱状图显示在平均杨氏模量为274.4kPa时，大约71％的孔隙在100-500微米的孔径大小范围内。进一步，在50-100微米的范围内发现大约10％的孔隙。再一次证实了模量的增加可提高大孔区域中孔隙的百分比。
图7显示具有732.5kPa的平均初始杨氏模量的泡沫的孔间通道大小分布。该柱状图说明通过提高模量值减少了100-500微米范围内的孔隙百分比(55％)。而且，在50-100和20-50微米的孔径大小范围内的孔隙分布类似于模量为27.1kPa时的孔隙分布(图5)。似乎处于此杨氏模量值时，100-500微米范围的大孔孔径大小的百分比具有升高的趋势。在此模量值之外，观察到降低的模式。
图8显示具有1175kPa的平均初始杨氏模量的泡沫的孔间通道大小分布。该柱状图说明：处于此模量值时，观察到100-500微米范围的百分比与732.5kPa时的百分比(图7)相同。但是，50-100和20-50微米的百分比低于在732.5kPa杨氏模量时观察到的百分比。
图9显示具有3000kPa的平均初始杨氏模量的泡沫的孔间通道大小分布。从此数据可以清晰地看出：杨氏模量的极度增加导致大孔径大小的百分比减少。其显示大约32％的孔隙处于100-500微米的范围内，但是，50-100(23％)和20-50(26％)微米的百分比高于在其它较低模量值时观察到的百分比。
实施例18
干燥水凝胶的机械性质：初始杨氏模量
可以通过改变所用材料的初始杨氏模量控制干燥水凝胶的机械性质。在本实施例中，图10至图17显示处于大约0.45-0.55的水活度范围的不同干燥多孔固体的应力-应变分布。根据其初始杨氏模量来表征它们。
在大约5％(基于湿重)的含水量时，难以在不干扰孔隙的情况下切割干燥的多孔固体。因此，在60-70％相对湿度的环境中平衡干燥的固体，以增加水活度。然后，将固体切割成一致的大小和形状。对于此切割的样品，通过平衡将水活度调整到45-55％，并通过不容易地(uneasily)施加造成70-80％变形的压缩力、使用Texture Analyzer(TA-XT2型，Stable Micro System，USA)测量压缩特征。应变速度固定为1毫米/秒或相当的值。采集力、距离和时间的数据点，并分析它们的真实应力和应变关系。由于认为压缩的多孔固体的截面积很少扩大，对于真实应力计算，在所有点同等处理固体的截面积。对于多孔固体，按亨基(Hanky′s)应力计算真实应变。
图10、图11和图12显示弹性体泡沫的应力-应变曲线。图10显示具有0.16kPa的平均初始杨氏模量的干燥多孔固体的应力-应变关系。图11显示具有6.1kPa的平均初始杨氏模量的干燥多孔固体的应力-应变关系。图12显示具有16.3kPa的平均初始杨氏模量的干燥多孔固体的应力-应变关系。每个曲线具有初始的弹性区域，在其后，显示短的室壁皱缩区域。曲线进一步向下，显示致密化区域。通过仔细观察这些图，可以看出最低的初始模量(图10)显示弹性区域直至高达1000Pa的应力水平。但是，6.1kPa的初始模量(图11)为高达25000Pa，16.3kPa的曲线(图12)为高达50000Pa。可以清楚地看出，初始杨氏模量的增加也影响干燥固体的机械性质。
图13显示具有27.1kPa的平均初始杨氏模量的干燥多孔固体的应力-应变关系。这些数据显示塑料泡沫的压缩曲线，其中在线性弹性区域之后为弹性屈服，然后是致密化区域，表明作为塑料泡沫的压缩曲线。但是，初始模量的增加提高线性弹性区域的应力至高达9000Pa。
图14显示具有274.4kPa的平均初始杨氏模量的干燥多孔固体的应力-应变关系。显示的样品表现出与脆性泡沫类似的性质，具有初始线性弹性区域，接下来是脆性破坏，然后是致密化。这也显示出线性弹性区域应力增加到高达15000Pa。
图15显示具有732.5kPa的平均初始杨氏模量的干燥多孔固体的应力-应变关系。图16显示具有1173.5kPa的平均初始杨氏模量的干燥多孔固体的应力-应变关系。这些数据表明干燥多孔固体的机械性质。在这两种情况下，固体在测试的水活度方面表现出与脆性泡沫相同的性质。但是，初始线性弹性区域的应力相对于具有274.4kPa的初始模量的样品(图14)减少。当我们将其与孔径大小分布性质结合时，732.5和1173.5kPa的样品相对于274.4kPa的样品具有较小百分比的100-500微米范围的孔径大小。它们也具有类似的孔径大小分布图。类似地，它们在5000Pa的初始线性弹性区域应力中具有类似的应力-应变关系。
图17显示具有3000kPa的平均初始杨氏模量的干燥多孔固体的应力-应变关系。这表明脆性泡沫类型的关系。线性弹性区域的应力相比所有其它干燥的多孔固体非常高。它显示几乎20,000Pa的应力，并提供更大的刚性。一般地，肩峰长度(shoulder length)(线性弹性区域的应力)越高，干燥多孔固体的机械强度越大。
尽管图15和图16中给出的样品的初始杨氏模量不同，但较低的肩峰长度的原因可能是水凝胶的处理方法。干燥固体的杨氏模量的减少与水活度的增加有关。因此，取决于需要的应用(是需要硬的泡沫还是软的海绵)，水活度的变化可以用来控制这一特征。
图18至图22提供了扫描电子显微照片，以说明本实施例中使用的分别具有6.1、16.3、27.1、732.5和1173.5kPa的初始杨氏模量值的固体在暴露于真空下的辐射能之后的多孔结构。
这些图显示由于使用不同的生物材料组合以及湿水凝胶制品的各种处理方法而获得的具有各种初始杨氏模量值的不同干燥多孔固体的内部孔隙结构。孔隙结构和孔壁强度的变化是由于样品的初始模量的变化。
这些数据表明通过改变初始材料的平均初始杨氏模量值可以控制泡沫中的孔径大小分布。因此，本发明的方法允许使用者获得对于预期的应用是最佳的孔隙结构。
比较实施例1
使用常规方法干燥海绵
为了进一步说明本发明的相对简易性和其它优势，下面的实施例说明使用例如风干、真空干燥和冷冻干燥的现有技术方法形成的海绵的应力-应变关系曲线和SEM图。图23至图26显示由刺槐豆胶形成并使用4种不同的干燥方法干燥的干燥海绵的应力-应变关系，其中3种干燥方法是现有技术：风干(现有技术)、真空干燥(现有技术)、冷冻干燥(现有技术)，以及根据本发明的真空下的辐射能干燥。相比通过REV干燥制备的海绵，风干、冷冻干燥和真空干燥的海绵刚性较低。尽管冷冻干燥的和REV干燥的海绵具有类似的质量，但REV海绵的机械强度更大。这些海绵的SEM分析也提供了孔隙及其排列的清晰的图片。图27至图30显示使用4种不同的干燥方法干燥的海绵的SEM图：风干、真空干燥、冷冻干燥和根据本发明的真空下的辐射能干燥。
图24显示真空干燥的海绵的应力-应变关系。该曲线表明海绵表现出与弹性泡沫类似的性质。该曲线也表明真空干燥的海绵具有比开放孔更多的闭合孔。这也可以在图28中看出，图28显示真空干燥的样品中存在的孔的SEM图。发现应力的初始增加是缓慢的，但在一定的应变之后，应力急剧增加。压缩应变可以加速密闭的小室中的空气和蒸气压力的增加。处于较高压力时，小室壁破裂并皱缩。此阶段之后，由于所有的小室已皱缩，压缩应力快速增加，留下成块固体而非闭合孔小室的固体。
获得的风干海绵的应力应变曲线(图23)表明，此类型的海绵表现出与弹性泡沫相似的性质。当然，线性弹性仅限于小的应变，继之以长的平稳期。该曲线的进一步的分析表明开放孔比闭合孔更多。这表明长的平稳期，其中，闭合孔显示应力随皱缩区域中应力的增加而急剧增加。图27显示风干的样品中存在的孔的SEM图。孔相互连接并且是开放的。在风干的例子中，孔一般在干燥的较晚阶段形成，而且孔的相互连接的原因，相比用于产生海绵的材料的玻璃化转变温度，更多地是由于较高温度下的结构皱缩。
冷冻干燥的海绵也表现出与弹性泡沫相似的性质(图25)。冷冻干燥的海绵的曲线显示比风干的海绵更多的致密化。这可能是由于风干的固体中的开放孔变为闭合孔，因此由于比在冷冻干燥的样品中所观察到的更高的孔壁强度，孔中的空气和水蒸气压力给予对完全致密化的抵抗力。可以在冷冻干燥样品的SEM图中观察到孔的结构皱缩(图29)。这也表明，与其它干燥方法相比，冷冻干燥的孔非常小。结构皱缩可能是由于干燥温度的不同。风干中，使用高的干燥温度，导致聚合物基质向硬质橡胶状态转变。但是，在冷冻干燥中，由于干燥温度低，没有观察到这种类型的转变。
REV干燥的海绵也表现出与弹性泡沫相似的性质(图26)。致密区域中开放孔变得闭合，所以在平稳期之后应力没有急剧增加。但是，REV干燥的泡沫的应力值比风干或冷冻干燥的泡沫更大。图30显示REV干燥的海绵中存在的孔的SEM图。它也显示相互连接的孔隙结构。
本比较实施例显示，根据本发明的实施方案形成的海绵与使用常规方法形成的海绵具有同样理想的或更加理想的机械性质。
实施例19
使用T-REV干燥细胞悬浮液
细菌细胞悬浮液的制备。益生菌唾液乳杆菌417、短乳杆菌(Lactobacillus brevis)(104)#5和长双歧杆菌(Bifidobacterium longum)由Neovatech，Abbotsford B.C.Canada惠赠。细菌在厌氧条件、37℃下、在de man Rogosa and Sharpe(MRS)液体培养基(Fisher Scientific USA)中培养24小时。使用含有BD BBLTM Gas PakTM Plus(N2+H2)(Becton，Dickinson and Company USA)的厌氧瓶实现厌氧条件。
酵母悬浮液的制备。酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)(EC 1118)由Wine Research Centre，UBC惠赠。收获前，酵母样品在YPD培养基中在30℃下、100rpm振摇培养箱中培养24小时。
用于干燥的样品制备。干燥前，所有样品经过3个亚培养。通过在4℃下、以3300x g离心10分钟来收获细胞，然后悬浮于无菌蛋白胨水(0.1％w/v)中，并在同样的条件下再次离心。收获的微生物细胞随后用于实验中。作为对照，将收获的细胞立即通过t-REV脱水。将其余的细胞直接与作为保护材料的保护剂混合，所述保护剂包括：脱脂奶粉(10％、15％和25％)、乳糖(10％、15％)、海藻糖(10％)或蜂蜜(20％)，接着进行真空微波干燥处理。对于每个处理，在干燥前无菌采样，用无菌蛋白胨水(0.1％w/v)稀释。将连续稀释液涂布于MRS-琼脂上。在37℃下无菌培养48小时后计数活细胞数，并作为初始群体报告。
图31显示用于脱水的t-REV方法的图示。
冷冻和冷冻干燥。在-50℃下快速冷冻部分样品，接着用冷冻干燥器(冷凝器温度-50℃，室温度25℃，干燥时间72小时)干燥，或用图32列出的t-REV方法干燥。
t-REV方法。在10和30托真空下，使用3种不同的功率水平：100、200和300瓦，在真空下的微波辐射(型号VMD 900W，EnwaveCorporation Vancouver，BC，Canada)下干燥纯的或与保护剂混合的细菌或酵母细胞15和30分钟。
脱水的细菌细胞的存活。用无菌的0.1％(w/v)的蛋白胨将所有干燥的样品重新配制至其初始重量。制备连续稀释液，细菌和酵母分别涂布于MRS-琼脂和YPD-琼脂上。在37℃下厌氧培养48小时后，计数MRS板上的菌落。在37℃下24小时后，计数YPD-琼脂板上的菌落。以CFU/g固体报告活细菌数。
水活度测定。在微波真空干燥前，紧接干燥后和储存过程中，测定样品的水活度(Aqualab R Model series 3，Decagon Devices，Inc.，Washington，USA)。
保存期研究。将脱水的细菌样品收集在无菌、充氮的玻璃瓶中，密封，并在室温下储存6周。在储存过程中，每2周测定活细胞数。
实施例20
唾液乳杆菌417
在根据实施例19所述的两种不同干燥条件(300W，30托)和(200W，10托)的REV处理中，唾液乳杆菌417作为纯培养物或与10％乳糖、10％、15％和25％脱脂奶粉一起使用。结果如下面的表3所示。
*L.S：唾液乳杆菌
实施例21
短乳杆菌
短乳杆菌(104)作为纯培养物或与15％脱脂奶粉混合在根据实施例19所述的REV处理(300W，30托)中使用。结果如下面的表6所示。
实施例22
长双歧杆菌
长双歧杆菌与10％脱脂奶粉混合，在如实施例19所述的REV处理(200W，10托)中进行t-REV脱水。结果如下面的表7所示。
实施例23
酿酒酵母
酿酒酵母作为纯培养物或与10％的海藻糖、20％的蜂蜜混合在如实施例19所述的REV处理(300W，30托)中使用。结果如下面的表8所示。
实施例19-23
结果与讨论
当微生物在30托绝对压力和300W微波功率下t-REV干燥时，发现细菌和酵母培养物的最大对数减少分别是1.5和3.6。在大约10托的较低绝对压力和23℃的最大干燥温度下干燥细菌增加了活细胞数(图3)。细菌计数的最小减少出现于在较低压力下干燥的培养物中，如观察到长双歧杆菌具有0.35的log10减少值。在低绝对压力下冷冻干燥和t-REV处理之后微生物的对数减少获得的值是类似的。应该注意到：在t-REV之前冷冻的细菌在t-REV处理后显示比冷冻干燥的细菌更高的存活。我们的保存期研究也表明，t-REV干燥的细菌在储存6周之后的存活等于冷冻干燥到相同水活度的细菌的存活。
相比冷冻干燥方法，t-REV方法的一个优势是t-REV样品在脱水前不需要经过冷冻步骤，这不仅减少了成本，而且加快了处理的速度。同时，在细菌培养物为了运送或储存等目的而需要冷冻的情形中，它们仍然可以毫无困难地进行t-REV处理。
总之，这些实施例证明了经过t-REV脱水的微生物的生存力相当于或高于经过冷冻干燥脱水的微生物的生存力。而且，t-REV比冷冻干燥快得多(例如，20分钟相对于72小时)，且能量消耗更少(例如，低于50％的能量消耗)。将要通过t-REV干燥的材料可以冷冻也可以不冷冻，而用于冷冻干燥的材料必须冷冻。各种保护剂，尤其是含有单糖和双糖如脱脂奶粉、蜂蜜和海藻糖的材料，证明可提高微生物在t-REV处理中的生存力。
在冷冻干燥和t-REV之间，生存力和生物活性的保护机制略微不同，这通过以下事实证明：普通冷冻干燥防护剂甘油在t-REV干燥应用中是完全无效的。这是因为甘油是非挥发性的液体，其本身在微波场中易于加热。甚至在水分蒸发掉之后，甘油会在微波场中继续加热，因此加热干燥的生物体至破坏性的温度。另一方面，正确选择的保护剂，例如海藻糖、乳糖和组成蜂蜜的果糖、葡萄糖和蔗糖，在干燥时不会产生足以导致生物体加热的热量。
图33说明在10和30托真空下REV脱水过程中唾液乳杆菌的温度曲线图。在10托和30托下，可以看出可以实现可接受的温度控制。
实施例24
酶脱水：溶菌酶
从鸡蛋清中提取的溶菌酶已被证明可以作为抗生素的更安全的替代物用于有效预防鸡群中的坏死性肠炎。鸡坏死性肠炎的病原体是产气荚膜梭菌(Clostridium perfringens)。在经饲料施用溶菌酶抗微生物混合物中遭遇的一个实际问题是溶菌酶在195°F粒化过程中减活。部分溶菌酶在此加热过程中会自然损坏。已报道在饲料粒化过程后，超过50％的未保护的溶菌酶损失。微包封可保护溶菌酶免于在饲料粒化过程中热变性，也免于禽类消化道中的胃蛋白酶消化。当用氢化植物油和硬脂酸钙包封溶菌酶时，粒化过程中溶菌酶的保护增加(可达75％的保留)。鸡溶菌酶是适于包含在t-REV脱水的水状胶体泡沫中的生物活性剂，作为溶菌酶包封和保护的方法。由于发现溶菌酶和脱乙酰壳多糖对A型产气荚膜梭菌和大肠杆菌F4菌株具有协同的抗微生物效应，在本实施例中选择脱乙酰壳多糖作为水状胶体，其可以与溶菌酶一起进行t-REV脱水，以给溶菌酶提供保护性基质。
溶菌酶-脱乙酰壳多糖混合物。
材料和方法。选择水溶性的脱乙酰壳多糖(也称为壳寡糖)作为用于溶菌酶t-REV研究的第一水状胶体。脱乙酰壳多糖具有抗梭菌效应，而且当与溶菌酶联合时，产生对A型产气荚膜梭菌的协同的抗菌效应。在分级抑制浓度研究中(结果没有显示)，确定溶菌酶/脱乙酰壳多糖混合物的最佳比例为1∶3。
使用真空炉法(100℃，5小时)测定溶菌酶(Neova Technologies Inc.Lot#：LA5392)和脱乙酰壳多糖(Shanghai Freemen Chemicals Co.，Ltd.MW ca.15KDa)的含水量。使用Braun手动混合器切碎机附件，以10,000rpm的转速，将1∶3固体比例的溶菌酶和脱乙酰壳多糖混合物与水混合3-5分钟，以产生具有均匀稠度的糊剂。制备若干具有25％、30％、35％、40％和45％的总固体含量水平的糊剂。制备一式三份的样品，并保持在Whirlpak袋中。在t-REV处理之前，测定糊剂的真实固体含量、溶菌酶的酶活性和水活度。
t-REV处理。称重大约4克的糊剂，放入干净、干燥的圆柱形石英容器中。用刮刀将糊剂样品压到容器的底部，以避免飞溅到实验t-REV脱水器的室中。将来自每个糊剂的3个样品加到塑料样品固定器上，并在原型t-REV脱水器(型号VMD 900W，Enwave Corporation Vancouver，BC，Canada)中使用300瓦微波功率和30托的绝对内腔压力进行t-REV干燥10分钟。使用红外线温度计监测此过程中的温度曲线。此过程后，立即称重样品，也测定水活度。在测定水活度之后，在手套式操作箱中，在18％的相对湿度和氮气下，将样品封装于WhirlpakTM袋中，以使湿度变化最小化。在测定湿度和溶菌酶活性之前，使用研钵和研杵精细研磨样品，将剩余的样品储存在血清瓶中，用氮气或氦气冲洗顶部空间。
最终产物的评估
截面结构。首先在立体观测器(Motic)下以500x放大倍数观察干燥材料的显微结构的不同。一般地，具有较低初始固体含量的产物具有更多孔的结构和更大的孔径大小。
溶解度。然后使用研钵和研杵将材料磨成细粉(＞100目)。称重50毫克样品置于试管中，并加入5毫升蒸馏水。短时振荡试管以检测溶解度。混合物溶解以及初始的溶菌酶和脱乙酰壳多糖粉末。
溶菌酶活性。通过浊度测试法使用冷冻干燥的藤黄微球菌(Micrococcus luteus)细胞壁悬浮液测定溶菌酶活性。在干燥处理后，溶菌酶保持其活性。
结果和讨论。总之，通过目视比较，也根据由高压水银孔率法产生的数据，较低初始固体含量的样品获得更多孔的结构。40％和45％的糊剂非常硬，并且在t-REV之后没有产生非常多孔的结构。因此，只对25％、30％和35％进行了下一步的研究。检测到的糊剂的固体水平非常接近于目标百分比。它们分别是24.47％、29.35％和34.67％。室温下，所有样品的初始水活度是大约0.99，而干燥样品具有≤0.40的水活度。计算的干燥样品的含水量(根据重量损失和检测到的固体含量)一贯地低于检测到的磨细的粉末的湿度水平，表明水分快速进入干燥产物中。所有样品的最终含水量稳定在大约15％。
图34显示在t-REV之前和之后的溶菌酶的酶活性，表明对于所有样品，在t-REV处理之后没有发现溶菌酶的酶活性损失。相反地，根据酶活性检测，溶菌酶活性一直增加(大约10％)。有报道称，当溶菌酶在70-80℃加热时，形成二聚体和更高级的聚合物并且活性提高(未公开的数据)。
图35显示脱乙酰壳多糖-溶菌酶混合物在t-REV处理过程中的温度曲线。在此过程中，样品的温度一直低于40℃。重要的是，t-REV脱水没有检测到生物活性的损失。
实施例25
药物脱水：青霉素
材料和方法。
水凝胶的制备。使用手动混合器将作为增塑剂的高水平甲氧基果胶(4％w/w)(Gum Technology Corp.，Tucson，Arizona)、玉米淀粉(3％w/w)(Famous food，Vancouver，Canada)、藻酸钠(3％w/w)(Sigma)和甘油(0.5％w/w)(Pure Standard Product，Winnipeg，Canada)与水(90％w/w)混合，直至形成均质的糊(batter)。然后，向均质的糊中加入0、5或10ml的200mg/ml青霉素的储备溶液，以制成含有0、100和200mg青霉素G/g干重的水凝胶。调整水的量使得最终的新鲜的糊混合物中最终含水量不超过(90％w/w)。将糊倒入TeflonTM模子(32mm直径，11.2mm深度)，并在-80℃下快速冷冻4-5小时。用不含青霉素的类似的水凝胶作为对照。
然后在室温下，将冷冻的糊浸入2升氯化钙溶液(3％w/v)(FisherScientific，Ottawa，Canada)中16-18小时。在浸渍过程中，冷冻模制的糊的融化和氯化钙和藻酸钠之间的交联同时发生，并产生具有柔软的固体结构的稳定的凝胶。在完成凝胶化处理后，从氯化钙溶液中取出单独的水状胶体凝胶，并使用纸巾除去表面的水。
水凝胶的脱水。用真空下的微波辐射(t-REV)(VMD 900W，EnwaveCorporation，Vancouver，BC)干燥水凝胶。干燥条件是300W微波功率，30托的室内绝对压力，进行20-30分钟。在脱水过程中，使用红外线温度计监测材料的温度，温度不超过45℃。将所有干燥的样品装入Whirl-PakTM(Nasco Whirl-Pak，USA)无菌塑料袋中，并在分析前在室温下储存最长3个月。
体外药物释放。在体外检测青霉素从脱水的水凝胶的释放。将1.05+/-0.12g脱水的水凝胶浸泡于50ml过滤器除菌的磷酸盐-柠檬酸缓冲液(pH＝7)中。在25℃下、在75rpm振摇孵箱中孵育浸泡的样品。每隔24小时，取出释放培养基的样品，并测定青霉素含量和活性。一式三份地进行该实验。
青霉素浓度。使用Shimadzu RF-540荧光分光光度计测定释放培养基中的青霉素G的浓度。以1cm路径长度比色杯(λex 280nm；λem 560nm，发射和激发都是5nm的狭缝)记录样品中的荧光强度。与标准校正曲线对比计算青霉素G的浓度。一式两份进行所有试验。
圆盘试验(青霉素活性检测)。向D.S.T.琼脂(Oxoid CM 0261，England)中加入嗜热脂肪芽孢杆菌Calidolactis变种C953(Bacillusstearothermophilus var.calidolactis C953)(Merck，Germany)的孢子悬浮液至107-108CFU/ml的浓度，接着分散到消毒培养皿(90mm直径)中，每个8-10ml，并在4℃下储存最长达1个月，直至用于试验中。为了运行试验，将板在65℃下预孵育3小时。然后，将纸盘(Whatman1，12mm直径)用100μl含有青霉素的样品浸泡，并以距板的边缘10mm的距离置于琼脂表面上。在65℃下孵育45分钟后，用尺子测量纸盘周围的清晰区域的直径。一式三份检测每个样品。
青霉素分解速率的测定。为了通过计算修正实验时间内的青霉素损失量，测定每种条件下青霉素的分解速率。向50ml过滤器除菌的磷酸盐-柠檬酸缓冲液中加入1ml或1.5ml青霉素(200mg/ml)，并在25℃下孵育。在0时刻且每隔24小时测定溶液中的青霉素的浓度，连续5天。一式三份地进行实验，并用青霉素的平均浓度计算降解速率。
log C的值相对于时间作图，其中，C是时间t之后的青霉素G浓度。从斜率的负倒数(negative reverse)获得分解速率的值。这些值显示每种条件下青霉素的浓度达到其初始浓度的10％所需要的时间。
孔径大小和孔径大小分布。测量具有不同浓度的青霉素的t-REV脱水的水凝胶中的总孔隙容积和孔径大小分布。根据制造商推荐的程序，使用水银孔隙计(Micromeritics AutoPore III，Folio Instruments Inc.，ON，Canada)，一式三份地进行水银注射毛细管压力测量。
扫描电子显微镜法。利用扫描电子显微镜法观察脱水的水凝胶之间的显微结构的不同。首先在SEM(Hitachi S4700，SEM)下观察没有涂层的样品的表面。然后，将水凝胶在液氮中冷冻断裂，用3nm的金喷涂，并再次在SEM下观察。
最大水吸收的程度(吸水能力)。对每种水凝胶的一式三份的样品称重，并置于含有50ml蒸馏水的厄伦美氏烧瓶(Erlenmeyer flask)中，并在25℃下在振摇孵箱(75rpm)中孵育，直至达到最大重量(大约24小时)，通过以下步骤测定：以一定时间间隔小心取出水凝胶，用滤纸除去过量的水，随后称量。使用以下方程式计算每种样品的吸水能力：
结果与讨论。为了核实凝胶制备过程中浸出导致的青霉素损失的量，分析氯化钙溶液的青霉素。在凝胶制备过程中青霉素损失量分别是：含有100mg/g水凝胶的水凝胶是22.2mg；含有200mg/g水凝胶的水凝胶是75.4mg。对照样品，新鲜的氯化钙溶液和新鲜的缓冲液，在检测青霉素的圆盘试验中没有显示任何痕量的青霉素。
当在室温下将水凝胶浸泡于磷酸盐-柠檬酸缓冲液中时，青霉素的释放随时间增加，且在120小时后达到最大值，这段时间中，青霉素从100mg-200mg干燥水凝胶的释放最终是100％。
图36显示含有100或200mg/g的干燥青霉素G的水凝胶在磷酸盐-柠檬酸缓冲液中、在25℃下随时间的青霉素释放。在120小时中，所有的水凝胶样品完全离解或溶解于磷酸盐缓冲液中。
图37显示青霉素在磷酸盐缓冲液中、在25℃下的分解曲线。
表9显示在含有青霉素(100或200mg/g干物质)的水凝胶样品的表面结构和对照之间在孔隙率上没有明显的不同(p＜0.05)。通过SEM检查形成的水凝胶的表面结构，并评估孔隙率和孔径大小分布。对于含有200mg青霉素G的脱水水凝胶测得最高的孔隙率，其值为84.5％。
图38证明，脱水水凝胶的吸水能力没有明显的不同(p＜0.05)。
结论。通过t-REV使含有抗生素的水凝胶脱水而没有活性损失。而且，证明抗生素在120小时的时间中逐步控制释放。水凝胶中包含青霉素不会明显影响t-REV脱水的水凝胶的孔隙率、水吸收或表面性质。
实施例26
诱导真空下的行波辐射能(t-REV)的示例性的装置
根据本发明，可以使用任何能够引导辐射能沿通常为单向的路径通过样品的设备，诱导通过样品的行波辐射能。
图39是描述用于诱导通过样品的真空下的行波辐射能(t-REV)的示例性装置的示意图。虚线箭头显示通过样品的微波的路径。真空室3910包括金属管3911和石英管3918，通过波导3916引导辐射能进入和离开石英管3918。样品固定器3912位于石英管的腔中，水负载3922位于或靠近石英管的末端，以吸收通过样品之后的辐射能。微波发生器3914设置于波导3916的上游，以提供被引导通过样品的辐射能。
图40描述类似的示例性的装置。辐射能源4014产生并发射微波，通过波导4016进入真空室4110。样品固定器4012位于真空室的腔中。贮水器4022位于真空室下游端附近，其位于此处以吸收通过样品之后的微波。
图41，通过与图39和图40比较，显示共振腔的示意图，该共振腔可以用于诱导在共振腔中具有偏转和反射的真空下辐射能(REV)。这种安排与本发明的不同在于引入的辐射能以多个不同的方向移动通过样品，并且在通过样品之后没有猝灭。微波发生器(4110)诱导微波(4111)经波导(4112)进入共振腔(4114)。位于共振腔中的滚筒(4116)包括支架(4118)和隔板(4120)，生物材料样品(4122)置于支架(4118)上。真空泵(4124)用来产生共振腔中需要的真空条件。照相机(4126)位于共振腔之外，但能够观察共振腔中的生物材料样品的状态。数据记录器(4128)与照相机相联系，以监测生物材料样品的需要的性质。尽管这种安排有利地允许监测生物材料样品的状态，但是微波一旦被诱导进入共振腔中，就可能偏转并反射离开共振腔、滚筒、隔板或支架的侧面，从而导致温度控制和处理控制比t-REV处理更具有挑战性。
上述的本发明的实施方案仅是作为示例。本领域的技术人员在不背离本发明的范围的情况下，可以对特定的实施方案进行变更、修改和变化，其只是由所附的权利要求书限定。
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Claims (19)
1.一种用于干燥生物活性材料的方法，包括以下步骤：
在水性溶剂中混合生物活性材料与保护剂形成糊剂；和
将糊剂暴露于真空下的行波辐射能，以从糊剂中沸腾溶剂。
2.如权利要求1所述的方法，其中，使用由行波微波施放器发出的单向波，在波导中提供行波辐射能。
3.如权利要求1所述的方法，其中，为了使得水负载猝灭通过糊剂的辐射能，糊剂被放置于波导中，位于行波微波施放器和水负载之间。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述保护剂选自邻苯二甲酸乙酸纤维素、羧甲基纤维素、果胶、藻酸钠、甘油、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素、角叉菜胶、阿拉伯树胶、黄原胶、刺槐豆胶、分离出的大豆蛋白质、脱乙酰壳多糖、麦芽糖糊精、胶原、藻酸盐、聚乙醇酸、淀粉、明胶、脱脂奶粉、糖及其组合。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述溶剂是蒸馏水。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述水性溶剂还包括包含椰子油、玉米油、花生油、氢化植物油、橄榄油、矿物油或它们的组合的添加剂。
7.如权利要求1所述的方法，其中，向所述水性溶剂中加入表面活性剂。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述表面活性剂是甘油、丙二醇、卵磷脂、吐温-80、吐温-20、蜡或它们的组合。
9.如权利要求1所述的方法，另外包括在水性溶剂中混合生物活性材料与保护剂形成糊剂之后，切割糊剂成为需要的形状的步骤。
10.如权利要求1所述的方法，另外包括在将糊剂暴露于真空下的辐射能之前，进行冷冻糊剂的步骤。
11.如权利要求1所述的方法，其中，在具有保持在10至小于760mmHg之间的压力的室中提供所述真空下的辐射能。
12.如权利要求1所述的方法，其中，以100-5000瓦／千克糊剂起始质量的水平提供所述真空下的辐射能。
13.如权利要求1所述的方法，其中，使用微波功率提供所述行波辐射能。
14.如权利要求1所述的方法，其中，使用1cm-10米的波长提供所述行波辐射能。
15.如权利要求1所述的方法，其中，所述保护剂是：
果胶和明胶的混合物；
果胶、CAP和甲基纤维素的混合物；
果胶和甲基纤维素的混合物；
刺槐豆胶、果胶、甲基纤维素和木薯淀粉的混合物；
藻酸钠、果胶、角叉菜胶和甲基纤维素的混合物；或
明胶、低水平甲氧基果胶和玉米淀粉的混合物。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述生物活性材料包括细胞、微生物、培养物、益生菌剂、酵母、蛋白质、酶、疫苗、药物、杀微生物剂、杀真菌剂、维生素、矿物质或杀精子剂。
17.如权利要求1所述的方法，其中，当所述保护剂与水性溶剂混合时，导致0.16kPa-3000kPa的杨氏模量值。
18.如权利要求1所述的方法，其中，应用所述真空下的辐射能以产生具有0.003-500微米的平均孔隙大小的干燥产物。
19.如权利要求1所述的方法，其中，应用所述真空下的行波辐射能以产生具有低于0.85的水活度的干燥产物。
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