CN103239941B - 具有表面电荷可调性的功能性壳聚糖支架作为过滤介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了制备功能性壳聚糖支架的方法以及所述功能性壳聚糖支架用作过滤介质。所述方法包括在适宜的交联剂和添加剂的存在下冻干壳聚糖。本发明壳聚糖支架具有增加的机械强度和弹性及可调节的表面极性、孔隙度和形态，使其可用于需要过滤介质的多种装置、设备和器具(诸如空气或水净化系统)中。

Description

具有表面电荷可调性的功能性壳聚糖支架作为过滤介质

与相关申请的交叉参考

本申请要求2012年2月6日提交的美国临时申请号61/633,142的优先权，该临时申请的公开内容通过参考纳入本文。

技术领域

本发明涉及一种用途非常广泛的过滤介质及其生产方法。具体而言，本发明涉及用于所述过滤介质的功能性壳聚糖支架的使用和制备方法。

背景技术

壳聚糖，即(1-4)-连接的2-氨基-2-脱氧-D-吡喃葡萄糖，是第二丰富的天然多糖。壳聚糖以吸收水中的污染物和重金属的极强能力而著称。已证明壳聚糖吸收废水中1,000-1,100g/kg的反应性染料，比过滤工业中通常使用的活性炭高若干倍。壳聚糖在生物可利用性、生物相容性和成本方面也远远优于金属基滤器。然而，虽然壳聚糖具有这些优势，它也有多种限制性，诸如相对较弱的机械强度以及容易受酸和碱的影响，这些限制性妨碍了壳聚糖作为单独的材料用于空气净化和水纯化应用。因此，已进行了广泛的研究来开发一种能够产生实际应用的壳聚糖。

最近过滤介质工业中开发了电纺壳聚糖纳米纤维。一个韩国研究小组开发了电纺壳聚糖纳米纤维垫用于吸收水中的Cu(II)和Pb(II)，而且同时保持了壳聚糖原始的有益特性，诸如其生物相容性、亲水性、生物活性、非抗原性和无毒性(Park等，Journal of Membrane Science，328，90，2009)。Park等人发现的电纺壳聚糖纳米纤维垫具有的优异的金属离子吸收性表明了电纺壳聚糖滤除有毒金属离子和微生物的潜在应用。四川教育学院的Sun等人也报道了电纺壳聚糖纳米纤维在诸如酶固定、过滤、创伤敷料、组织工程和药物递送等其他领域具有潜在应用(eXPRESS Polymer Letters，Vol.5，No.4，2011，pp342-361)。

博洛尼亚大学的Luppi等人报道，一种用于经鼻插入的冻干的壳聚糖/果胶显示出在水吸收能力和粘膜粘附能力方面有所提高，可用于递送抗精神病药物(Luppi等，European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics，Vol 75，第3期，2010，pp 381-387)。其他的冻干壳聚糖材料已有所报道。例如：Patel等教导了冻干的壳聚糖-聚氧化乙烯水凝胶的制备和表征，该水凝胶可用于在胃中递送抗生素(Patel等，Pharmaceutical Research，Vol 13，No.4，1996，pp588-593)。然而，由于对于用作过滤介质而言，冻干的壳聚糖多孔材料的机械强度仍然太小，因此所有这些现有的技术都没有公开用于空气或水的纯化目的的冻干壳聚糖。此外，还从未报道过具有可调的表面电荷和密度的壳聚糖支架。

因此，需要开发一种能够实际应用于纯化目的的新型壳聚糖材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种用作过滤介质的新型功能性壳聚糖支架以及制备所述功能性壳聚糖支架的方法。所述制备方法包括将壳聚糖与适宜的交联剂和添加剂一起冻干。再将冻干的壳聚糖进行二次干燥，其中二次干燥的温度高于初始冻干温度以增强壳聚糖的机械强度。本发明冻干的壳聚糖与非冻干的壳聚糖相比具有增加的机械强度和弹性。适当加入交联剂和添加剂使得壳聚糖支架的孔隙度和形态得到控制，并且能够调节支架的表面极性以及加入功能特性。一种实施方式中，本发明的壳聚糖和适宜的交联剂、添加剂及二氧化钛(TiO₂)或其他光催化纳米颗粒一起冻干，从而产生的壳聚糖支架是可再生的和可再利用的。另一种实施方式中，本发明的壳聚糖和适宜的交联剂、添加剂及CaCO₃一起冻干以加强其吸湿性和机械强度。本发明壳聚糖支架优异的物理和化学性质使其成为用于高压过滤和过滤具有不同尺寸和电荷的颗粒或物质的极佳介质。

本发明冻干的壳聚糖支架过滤介质可过滤气态或液态物质，诸如空气和水。本发明过滤介质可整合入需要过滤介质的任何仪器、设备或装置，例如任何家用器具，诸如空调、饮水机等。

附图说明

图1a和图1b是根据本申请所述制备的冻干壳聚糖支架的扫描电子显微镜图像-图1a是×1,000放大倍率，图1b是×500放大倍率。

图2a和图2b是根据本申请所述制备的壳聚糖支架的图片。图2a显示冻干的纯壳聚糖支架，图2b显示具有CaCO₃的冻干壳聚糖。

图3a-3c显示根据本发明所述制备的冻干壳聚糖的物理性质。图3a表示无外界压力时的壳聚糖支架。冻干的壳聚糖是柔性的(图3b)和挠性的(图3c)。

具体实施方式

下文将详细描述本发明当前优选的实施方式，这些描述用于阐释本发明的原理。充分描述了本文公开的实施方式或实施例以使本领域技术人员能够实施本发明，应理解可使用其他实施方式，也可在不脱离本发明精神的情况下进行改变。

本发明涉及用于过滤介质的功能性壳聚糖支架及其制备方法。所述方法包括冻干壳聚糖的溶液。所述冻干包括在第一温度和第一压力下冷冻壳聚糖溶液，在第二温度和第二压力下干燥所述溶液以成为第一冻干的壳聚糖，并任选之后在第三温度下对所述第一冻干的壳聚糖进行第二干燥，所述第三温度高于第一温度和第二温度以加强壳聚糖支架的机械强度。第二干燥步骤旨在减少壳聚糖溶液中的任何残余水分，该步骤可在低于所述第一压力和第二压力的第三压力下进行。一些实施方式中，冻干步骤和在较高温度进行的随后第二干燥步骤可重复至少一次。通过将壳聚糖溶解在一种或多种羧酸中来制备所述壳聚糖溶液，所述一种或多种羧酸作为溶剂和交联剂来交联溶解的壳聚糖分子。如果需要，可用均质化来辅助壳聚糖的溶解。所述一种或多种羧酸的性质以及不同羧酸的混合比率决定了所产生的功能性壳聚糖支架过滤介质的总表面电荷和电荷密度。本发明的壳聚糖支架可以带正电、带负电或是电中性的。本文所用术语“混合比率”指混合成为用于溶解壳聚糖的溶液的一种或多种羧酸的比率。本发明壳聚糖支架的扫描电子显微镜图像分别以×1,000和×500的放大倍率示于图1a和1b中。

取决于在仪器、装置或设备中壳聚糖支架的全部或部分用作过滤介质或者壳聚糖支架用作独立的过滤装置，本发明壳聚糖支架可以任意尺寸和/或形状(规则的或不规则的)形成。这通过将壳聚糖溶液转移到具有过滤介质或装置所需的大小和/或形状的容器中并在其中进行冻干程序和后续干燥来实现。可选地，使壳聚糖溶液进入或通过具有所需大小或形状的模子或在冻干程序后切成所需大小和形状。

本文所用术语“壳聚糖”可指纯的壳聚糖、壳聚糖盐、壳聚糖衍生物或它们的组合。用于本发明的壳聚糖可通过在过氧化氢溶液中使天然几丁质脱乙酰化，或使用本领域技术人员易知的其他技术获自天然来源，例如虾或蟹的壳。可使用本领域可用的技术来合成壳聚糖或对其进行化学修饰。某些实施方式中，适用于本发明的壳聚糖可具有5kDa至2,000kDa，或50kDa至1,000kDa或100kDa至900kDa的分子量范围。可用于本发明的壳聚糖的分子量范围和可溶性很广，只要有适宜的溶剂来溶解壳聚糖。

某些实施方式中，壳聚糖的脱乙酰化百分比为40-95％或75％-100％。一种实施方式中，壳聚糖的脱乙酰化大于95％。其他实施方式中，取决于所需的最终应用，壳聚糖任选地与其他合成聚合物和蛋白混合。

为获得本发明可用作过滤介质的功能性壳聚糖支架，将一种或多种壳聚糖或其衍生物溶解在一种或多种羧酸的溶液中。所述一种或多种羧酸的溶液起溶剂和交联剂的作用来溶解和交联准备冻干的壳聚糖。本领域技术人员容易理解，通过改变羧酸的不同组合和/或不同羧酸的混合比率，可获得带负电、带正电或电荷中性的溶液。一种实施方式中，壳聚糖溶解在＞1％的乙酸溶液中，通过氨基的质子化产生带正电的表面。能够质子化壳聚糖上的氨基的任何酸都可用于本发明。壳聚糖可溶解在，但不限于，柠檬酸、马来酸、丙二酸、聚甘露糖醛酸、聚半乳糖醛酸和琥珀酸。另一种实施方式中，壳聚糖可溶解于二元羧酸，诸如草酸、丙二酸、己二酸、壬二酸。其他羧酸可用作交联剂，只要该羧酸可与壳聚糖溶液混溶。任选地，可进一步将壳聚糖-羧酸溶液均质化以更完全地溶解。本文所述的功能性壳聚糖支架的制备允许壳聚糖支架的表面电荷和电荷密度是可调的，并且本发明的功能性壳聚糖支架从未被任何现有的技术报道过。

均质化后壳聚糖更完全的溶解，之后将壳聚糖-羧酸溶液转移到用于冻干的适宜容器中。如本领域技术人员易知，冻干程序是简单和常规的，并且可在常规的冻干机中进行。冻干程序包括在0℃-60℃范围内的第一温度和约1000毫托(mtorr)的第一压力下第一次冷冻壳聚糖溶液2-6小时，然后将冷冻的壳聚糖溶液在约0.1毫托的第二压力和约0℃的第二温度下进行第一次干燥，从而使壳聚糖中的冷冻羧酸溶剂从其固相直接升华为气相。第二温度高于第一温度，第二压力低于第一压力。某些实施方式中，冻干程序还包括第二干燥步骤，其中将升华的壳聚糖置于第三温度以及任选地第三压力下以增强所产生的适用于过滤的功能性壳聚糖支架的机械强度，第三温度高于第一温度和第二温度，约为0℃至40℃，并且第三压力低于所述第二压力。所述第三压力在约0.1-0.01毫托范围内。一些实施方式中，所述冻干步骤和在较高温度下进行的第二干燥步骤可重复一次或多次。另一种实施方式中，本发明制备功能性壳聚糖支架的方法在真空中进行。

由于制备本发明功能性壳聚糖支架的冷冻技术以及壳聚糖固有的广泛化学用途，可将额外的功能特性容易地添加到壳聚糖支架上。另一种实施方式中，功能性壳聚糖支架的制备还包括在冻干程序之前将一种或多种添加剂加入到壳聚糖溶液中。根据本发明，在壳聚糖溶液的制备过程中加入添加剂从而使添加剂能够充分分布在最终的壳聚糖支架中。

在传统的水过滤器中，通常需要清理和更换过滤介质，因为随着时间污染物在过滤介质中饱和。长期使用同一过滤介质是不可能的。在一其他实施方式中，本发明包括将光催化纳米颗粒与功能性壳聚糖支架整合，从而使通过UV-诱导的污染物光催化分解而再生功能性壳聚糖支架成为可能。一种实施方式中，在冻干程序之前将光催化纳米颗粒例如二氧化钛(TiO₂)加入壳聚糖溶液。另一种实施方式中，壳聚糖支架用硫化镉(CdS)封端。二氧化锡(SnO₂)和氧化锌(ZnO)可固定在壳聚糖支架上。具体而言，发现0.7g/L CdS或SnO₂/ZnO显示出最佳光催化效果。仍然在另一实施方式中，光催化纳米颗粒是氧化亚铜(Cu₂O)。Jiang，R等Chem.Eng.J.2009，152，537，Zhu，H.Y.等Chem.Eng.J.2011，172，746和Chen，J.Y.等Carbohydr.Polym.2008，72，128描述了适于结合到本发明中的多种光催化纳米颗粒的例子，其中的公开内容通过参考以其整体纳入本文。

与用非冻干技术制备的那些壳聚糖支架相比，本发明的冻干壳聚糖支架具有增加的机械强度和弹性。在一实施方式中，根据本发明在冻干之前用三磷酸五钠(TPP)交联壳聚糖。将生成的壳聚糖支架在去离子水中浸泡7天以测试其机械强度和耐水性，在实验过程中每天更换浸泡介质。经测试根据本发明制备的用TTP交联的壳聚糖支架与那些未经浸泡的壳聚糖支架一样保持了形状和海绵结构。

本发明壳聚糖支架的柔性示于图3b和图3c。由于相对较高的机械强度，本发明壳聚糖支架能够耐受相对较高的压力，因此很适合用于水过滤。在另一实施方式中，本发明包括将壳聚糖溶液和碳酸钙(CaCO₃)一起冻干和/或在冻干之后添加CaCO₃。图2a和2b显示了根据本发明制备的壳聚糖支架的外观。图2a显示没有任何添加剂的冻干壳聚糖支架，而图2b显示冻干的壳聚糖-CaCO₃支架。将CaCO₃掺入壳聚糖中进一步增强了壳聚糖的吸湿性和机械强度。

由本发明功能性壳聚糖支架制成的过滤介质或者包含本发明功能性壳聚糖支架的过滤介质在空气和水的净化中非常有用。具体而言，本发明壳聚糖支架可有效地吸收水中常见的各种有毒重金属离子，诸如铜、铅、砷、铁和铝的离子。

根据本文所述制备的本发明功能性壳聚糖支架是多孔的，如图1中所见。壳聚糖和羧酸溶剂的比率是可调的，以根据将要滤除的微粒、物质、污染物等的大小获得所需的孔隙度。由于通过掺入添加剂诸如TiO₂和CaCO₃可方便地将功能特性加入到支架中，本发明壳聚糖支架还具有非常广泛的用途。

通过在具有不同混合比率的不同羧酸溶剂中冻干壳聚糖，本发明的功能性壳聚糖支架能够改变其表面极性，这一能力使所述支架能够有效地滤除特定的带电化合物、杂质、任何不需要的金属离子等等。很多微生物对电荷敏感。壳聚糖支架的极性特点还提高了壳聚糖固有的抗细菌和抗病毒作用。应理解，本领域技术人员可容易地改动本发明制备功能性壳聚糖支架的方法以制备具有特定特性的壳聚糖支架，作为用于特定过滤目的的过滤介质。

工业应用性

本发明公开了一种用于过滤目的的壳聚糖支架的新颖制备方法。在适宜的羧酸溶剂/交联剂中对壳聚糖进行冻干处理提高了壳聚糖的机械强度和弹性，允许对壳聚糖的表面极性和孔隙度进行调节。此外，壳聚糖的冻干处理还提供了将添加剂掺入壳聚糖的方便途径，从而可将另外的功能特性加入到支架上。鉴于与本发明相关的上述优点和特点，本领域技术人员将容易地知晓本发明壳聚糖支架在范围广泛的需要过滤介质的装置、器具和设备中用作过滤介质的用途。

应理解本文所述方法可以不同的顺序进行，与本文未提及但本领域技术人员容易知晓的其他步骤同时和/或一起进行以获得壳聚糖支架。勿需赘言，相信本领域技术人员在本文描述的基础上能够在不脱离本发明精神的情况下更改本发明以及将本发明做最充分的应用。本文引用的所有出版物均通过参考以其整体纳入本文。

Claims (19)

1.一种制备用于过滤介质的功能性壳聚糖支架的方法，包括

将壳聚糖或其衍生物溶解在一种或多种羧酸的溶液中以形成壳聚糖溶液，其中所述一种或多种羧酸作为溶剂和交联剂来溶解和交联所述壳聚糖或其衍生物；

冻干所述壳聚糖溶液，其中所述冻干包括在第一温度、第一压力下冷冻所述壳聚糖溶液以及在第二温度和第二压力下干燥所述溶液，所述第二温度高于所述第一温度并且所述第二压力低于所述第一压力，由此所述一种或多种羧酸的溶液直接从固相升华为气相，以及

其中，根据所选的在所述一种或多种羧酸的溶液中不同羧酸的比率，选择性调节所述功能性壳聚糖支架的表面电荷和电荷密度，由此使得产生的表面电荷是正的、负的或中性的。

2.权利要求1的方法，进一步包括在所述冻干之后在第三温度和第三压力下干燥所述壳聚糖溶液，其中所述第三温度高于所述第一温度和第二温度并且所述第三压力低于所述第二压力，以加强所述支架的机械强度。

3.权利要求2的方法，其中所述冻干或在第三温度和第三压力下进行的所述干燥重复至少一次。

4.权利要求1的方法，其中所述一种或多种羧酸的溶液包含乙酸、柠檬酸、马来酸、聚甘露糖醛酸、聚半乳糖醛酸、琥珀酸、草酸、丙二酸、己二酸或壬二酸。

5.权利要求1的方法，进一步包括在所述溶解之后均质化壳聚糖溶液，以在所述冻干之前制备更完全溶解的壳聚糖溶液。

6.权利要求1的方法，进一步包括在所述冻干之前将壳聚糖溶液转移到容器中，其中所述容器与过滤介质的形状和大小相同或不同。

7.权利要求1的方法，进一步包括在所述冻干之前将有效量的光催化纳米颗粒加入到壳聚糖溶液中，以使在所述壳聚糖支架内饱和的物质能够被UV-诱导的光催化分解，从而使得用于过滤介质的壳聚糖支架是可再生的和可再利用的。

8.权利要求1的方法，进一步包括在所述冻干之前将碳酸钙加入到壳聚糖溶液中，用于调节所述支架的吸湿性和机械强度。

9.权利要求1的方法，进一步包括在所述冻干之前将三磷酸五钠加入到壳聚糖溶液中，用于增强所述支架的耐水性和机械强度。

10.一种适于过滤气态或液态物质的过滤介质，其包含已在一种或多种羧酸的溶液中冻干的功能性壳聚糖支架，所述一种或多种羧酸作为溶剂和交联剂来溶解和交联壳聚糖或其衍生物使其成为所述功能性壳聚糖支架，其中所述功能性壳聚糖支架的表面电荷和电荷密度根据所述一种或多种羧酸的溶液中不同羧酸的比率被选择性调节，由此使得产生的表面电荷是中性的、正的或负的。

11.权利要求10的过滤介质，其中所述一种或多种羧酸的溶液包含乙酸、柠檬酸、马来酸、聚甘露糖醛酸、聚半乳糖醛酸、琥珀酸、草酸、丙二酸、己二酸或壬二酸。

12.权利要求10的过滤介质，其中所述壳聚糖支架进一步包含有效量的光催化纳米颗粒以使得在所述壳聚糖支架内饱和的物质能够被UV-诱导的光催化分解，由此使得过滤介质是可再生的和可再利用的。

13.权利要求10的过滤介质，其中所述壳聚糖支架进一步包含碳酸钙，由此使得所述壳聚糖支架的机械强度和吸湿性是可调节的。

14.权利要求10的过滤介质，进一步包含三磷酸五钠，用于增强所述支架的耐水性和机械强度。

15.一种适于过滤气态或液态物质的过滤介质，其包含根据权利要求1的方法制备的功能性壳聚糖支架。

16.权利要求15的过滤介质，其中在所述冻干之后，所述壳聚糖支架在第三温度和第三压力下进行进一步干燥，其中所述第三温度高于第一温度和第二温度并且所述第三压力低于所述第二压力以加强所述支架的机械强度。

17.权利要求15的过滤介质，进一步包含有效量的光催化纳米颗粒以通过UV-诱导的光催化来分解在所述过滤介质内饱和的物质，由此使得过滤介质是可再生的和可再利用的。

18.权利要求16的过滤介质，进一步包含碳酸钙，由此使得所述壳聚糖支架的机械强度和吸湿性是可调节的。

19.权利要求16的过滤介质，进一步包含三磷酸五钠，用于增强所述支架的耐水性和机械强度。