CN103521150B

CN103521150B - 一种制备纤维素微球及壳聚糖包覆的纤维素复合微球的方法

Info

Publication number: CN103521150B
Application number: CN201310483411.6A
Authority: CN
Inventors: 李洪亮; 王乔; 傅爱萍
Original assignee: Qingdao University
Current assignee: Qingdao University
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2033-10-16
Also published as: CN103521150A

Abstract

本发明公开一种简单、绿色制备具有优良性能的纤维素微球的方法，首先以氢氧化钠和尿素的水溶液将纤维素溶解成为透明的溶胶，然后将该溶胶在一定的压力作用下通过喷头喷雾到稀醋酸或纯水凝固浴中，根据纤维素溶胶粘度不同，控制喷雾压力在200～400kPa之间，纤维素液滴在凝固浴中凝固，形成凝胶微球，用蒸馏水将纤维素凝胶微球洗至中性，重新分散在蒸馏水中，再利用喷雾干燥机对凝胶悬浊液进行喷雾干燥，干燥温度为140～180℃。本发明简单易操作，能够大批量生产纤维素微球。制备纤维素微球过程中的溶剂可回收再利用，并且制备过程中没有使用到有机溶剂以及乳化剂，因此无环境危害性以及因为有机溶剂残留而造成的生物危害性。

Description

一种制备纤维素微球及壳聚糖包覆的纤维素复合微球的方法

技术领域

本发明涉及一种制备具有吸附和负载功能的纤维素微球及壳聚糖包覆的纤维素复合微球的方法。

背景技术

天然纤维素高分子微球由于其来源广泛，无毒且可降解而成为应用研究的热点对象。纤维素作为一种取之不尽，用之不竭的可再生天然高分子材料，不仅安全无毒可降解，并且具有良好的吸水性和生物相容性。以天然高分子纤维素组成的微球因其特殊的组成和特殊的结构，作为微存储器、微反应器、微分离器、微结构单元被广泛应用于药物控释、特殊材料模板、微球吸附剂以及塑料添加剂和涂料领域。但是，由于天然高分子微球无法直接用聚合方法来制备，针对这些特殊的微球，科学家们开发了一些特殊的制备方法，比如乳化-固化法、单凝聚法、复凝聚法、喷雾干燥法、自乳化-固化法和层层自组装法，但是这些方法要用到乳化剂或者有机溶剂，会产生大量有机废液，残存的乳化剂和有机溶剂对微球的结构、生物相容性等产生影响，不易大量生产纤维素微球，这些制备方法与纤维素廉价易得且具有较好生物相容性的特点极其不相符，限制了纤维素材料在生物医学等新领域的应用。

发明内容

针对目前纤维素微球制备过程中存在的工艺繁琐，具有污染性以及产量低等问题，本发明提供了一种简便、低污染的制备纤维素微球及壳聚糖包覆的纤维素复合微球的方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种制备纤维素微球的方法，包括以下步骤：

（1）配制纤维素溶胶：将纤维素溶解在溶剂中，经过冷冻、搅拌，离心去除杂质，得到透明的纤维素溶胶；所述溶剂为氢氧化钠和尿素的混合水溶液；

（2）纤维素溶胶雾化：将透明的纤维素溶胶输入到喷头处，使纤维素溶胶在压力作用下雾化；

（3）凝固：纤维素溶胶雾化后直接进入醋酸水溶液或蒸馏水凝固浴，同时向凝固浴中注入醋酸水溶液以保证凝固浴的pH值保持小于7且基本不变，整个喷雾凝固过程凝固浴利用磁子搅拌；

（4）洗涤：将步骤（3）所得到的纤维素凝胶微球的悬浊液用蒸馏水洗涤多次至中性；

（5）喷雾干燥：将洗涤至中性的纤维素凝胶微球重新分散在水中，经喷雾干燥机喷雾干燥，得到干燥的纤维素微球。

步骤（1）中，纤维素溶胶的质量浓度优选为1%～4%；溶剂中氢氧化钠、尿素和水的质量比为6∶13∶81。

步骤（2）中，喷头处的喷雾压力优选为200～400kPa。

步骤（3）中，醋酸水溶液凝固浴的质量浓度优选≥5%。

步骤（5）中，喷雾干燥过程，压力优选为200kPa，热空气流速优选为300～500ml/h,温度优选为140～180℃。

一种制备壳聚糖包覆的纤维素复合微球的方法，包括以下步骤：

（3）凝固-包覆：纤维素溶胶雾化后喷入置于喷头下方的凝固浴中，凝固浴为壳聚糖溶解在质量浓度为1～2%的醋酸水溶液中形成的稀溶胶，整个喷雾凝固过程凝固浴利用磁子搅拌；

（4）洗涤：将步骤（3）所得到的壳聚糖包覆纤维素的复合结构凝胶微球悬浊液用蒸馏水洗涤至中性；

（5）干燥：将洗涤至中性的壳聚糖包覆纤维素的复合结构凝胶微球重新分散在水中，经喷雾干燥机喷雾干燥，得到干燥的壳聚糖包覆的纤维素复合微球。

步骤（2）中，喷头处的喷雾压力优选为200～400kPa。

步骤（3）中，所述壳聚糖与醋酸水溶液的质量比为0.5∶99.5。

本发明的有益技术效果是：

本发明利用喷雾—凝固/喷雾干燥联合的方法，在没有使用乳化剂以及有毒的有机溶剂的条件下，通过对纤维素的浓度、凝固浴的浓度和类型、以及喷雾压力的大小等参数的控制，制备了不同结构和形貌以及拥有不同功能的纤维素微球和壳聚糖包覆的纤维素复合微球，减少了环境污染，简化了生产步骤，降低了生产成本，且利于大量生产。具体体现在以下几个方面：

1、本发明采用的溶剂为NaOH/尿素水溶液体系，为绿色溶剂，经济环保，可循环利用。制备工艺过程简单易操作，可以将来源丰富的纤维素材料批量生产成纳米至微米级别的微球，所得微球可广泛地应用于生物医学领域以及其他潜在的领域，大大降低医药产品的成本。

2、利用凝固浴使纤维素溶胶液滴瞬间固化，凝固浴采用稀醋酸水溶液或者是蒸馏水，可以最大限度地避免溶剂的污染，因此纤维素微球上不会残留破坏生物相容性的离子或基团。

3、通过选择不同的凝固浴以及改变凝固浴的浓度，控制纤维素微球的尺寸在800nm～2000nm之间可调节，且可以直接制得壳聚糖包覆的纤维素复合结构微球。

4、凝胶微球的分离及进一步固化采用喷雾干燥技术，喷雾干燥使得纤维素凝胶微球在短时间内瞬间干燥并进一步固化，跟其他干燥方法相比，喷雾干燥能较好地维持纤维素的球型结构，降低了纤维素凝胶微球在干燥过程中发生粘连的可能性，易于制备分散性好的纤维素微球。

5、利用本方法制备的纤维素微球具有丰富的孔隙，可以广泛地应用于医药载体、吸附介质以及填充材料。相比于无机多孔材料或合成高分子材料，纤维素是天然高分子材料，属于可再生可降解高分子，来源广泛，价格低廉。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1是实施例1制备的纤维素微球的扫描电镜(SEM)图。

图2是实施例1制备的纤维素微球的透射电镜(TEM)图。

图3是实施例1制备的纤维素微球的红外图。

图4是实施例1制备的纤维素微球的动态光散射(DLS)粒径分布图。

图5是包覆有一层壳聚糖的纤维素复合结构微球的扫描电镜照片(SEM)。

图6是壳聚糖包覆的纤维素复合微球的动态光散射(DLS)粒径分布图。

图7是实施例1制备的纤维素微球吸附亚甲基蓝的动力学曲线。

图8是实施例1制备的纤维素微球在不同pH值下缓释布洛芬的动力学曲线。

具体实施方式

针对目前纤维素微球制备过程中存在的工艺繁琐，具有污染性以及产量低等问题，本发明提供了一种简便、低污染并可大量生产的制备纤维素微球及壳聚糖包覆的纤维素复合微球的方法。该方法的特点是将用绿色溶剂溶解的纤维素溶胶在200～400kPa的压力作用下雾化，并将雾化的纤维素溶胶喷入去离子水或者稀醋酸水溶液（质量浓度≥5%）等凝固浴中固化成纤维素凝胶微球，蒸馏水洗涤至中性后，凝胶微球重新分散在蒸馏水中成悬浊液，然后利用喷雾干燥机进行喷雾干燥，干燥温度为140～180℃，并经旋风分离后，得到结构稳定的多孔性纤维素微球。制备过程简单、可放大用于大量生产，用到的溶剂为NaOH/尿素体系，而非有机溶剂，大大降低了对坏境的污染。成球过程是借助压力雾化并进入凝固浴瞬间凝固，凝固浴选用浓度≥5%的稀醋酸溶液或溶解有壳聚糖的稀醋酸溶胶液，没有使用到乳化剂，因此没有乳化剂在微球中的残留，进一步减少了环境污染，提高了所得纤维素微球或壳聚糖包覆的纤维素复合微球的生物相容性。

实施例1

（1）配制纤维素溶胶：将一定量的纤维素溶解在溶剂中，经过冷冻、搅拌，离心去除杂质，得到质量浓度为2%的透明纤维素溶胶液。所述溶剂为氢氧化钠和尿素的混合水溶液，溶剂中氢氧化钠、尿素和水的质量比为6∶13∶81。

（2）雾化：将雾化喷头处的压力调整到200kPa，以30～50ml/min的速度将透明的纤维素溶胶液输入到喷头处，使其在压缩空气作用下雾化。

（3）凝固：凝固浴置于喷头下方，使纤维素溶胶雾化后直接喷入质量浓度为10%的醋酸水溶液或蒸馏水凝固浴，凝固浴经磁子搅拌以维持浴液pH值均匀，同时以一定的速度向凝固浴中注入醋酸水溶液以保证凝固浴的pH值基本不变。

（4）洗涤：将所得到的纤维素凝胶微球的悬浊液用去离子水洗涤多次至中性。

（5）干燥：将洗涤至中性的纤维素凝胶微球重新分散在纯水中，利用喷雾干燥机进行喷雾干燥，干燥温度160℃，得到干燥的纤维素微球。

对实施例1中制得的纤维素微球的形貌和结构特征利用扫描电镜和透射电镜进行了表征，如图1和图2所示，从图1扫描电镜照片可以看出所得纤维素微球的粒径大部分在0.5-2μm之间。从图2透射电镜照片可以看出，纤维素微球的内部为多孔性结构。对组成微球的纤维素的组成特征利用红外光谱进行了表征，如图3，从图3可以看出，3410～3230cm^-1为纤维素分子内和分子间氢键的特征吸收峰，3400cm^-1左右的宽吸收对应于O-H的伸缩振动吸收峰，2900cm^-1左右的吸收峰是C-H的伸缩振动吸收峰，1100cm^-1左右的吸收峰是C-O伸缩振动以及O-H的弯曲震动吸收峰。从纤维素微球的动态光散射图（图4）可以看出，纤维素微球尺寸的单分散性很好，粒径主要分布在800～1500nm之间，与扫描电镜所得结果吻合较好。

实施例2

（1）配制纤维素溶胶：将一定量的纤维素溶解在溶剂中，经过冷冻或者搅拌，离心去除杂质，得到质量浓度为4%的透明纤维素溶胶液。所述溶剂为氢氧化钠和尿素的混合水溶液，溶剂中氢氧化钠、尿素和水的质量比为6∶13∶81。

（2）雾化：将雾化喷头处的压力调整到400kPa，以一定的速度将透明的纤维素溶胶输入到喷头处，使其在压缩空气作用下雾化。

（3）凝固：凝固浴选择稀醋酸(1～2wt%)溶解的壳聚糖溶胶，壳聚糖与稀醋酸水溶液的质量比是0.5:99.5。将该凝固浴液置于喷头下方，使纤维素溶胶雾化后直接喷入凝固浴，喷雾-凝固过程中，连续向浴液中添加壳聚糖的稀醋酸溶液并搅拌，以保持浴液的组成均匀性。

（4）洗涤：将所得到壳聚糖包覆纤维素的复合结构凝胶微球用去离子水洗涤多次至中性。

（5）干燥：将洗涤至中性的壳聚糖包覆纤维素凝胶微球重新分散在纯水中，利用喷雾干燥机进行喷雾干燥，干燥温度180℃，得到干燥的壳聚糖包覆纤维素复合微球。

对实施例2中制得的壳聚糖包覆纤维素复合微球的形貌和结构特征利用扫描电镜进行了表征，如图5所示，从图5扫描电镜照片可以看出所得纤维素微球的粒径大部分在0.5-2μm之间。从图6纤维素微球的动态光散射图可以看出，纤维素微球尺寸的单分散性很好。

称取100mg实施例1中制备的纤维素微球，将其分散在300ml浓度为10mg/L的亚甲基蓝溶液中，搅拌，每隔一段时间取样，利用紫外-可见分光光度计测量其吸光度并计算出随时间变化纤维素微球对亚甲基蓝的吸附率，之后以时间为横轴，吸附量为纵轴作图得纤维素微球吸附亚甲基蓝的动力学曲线，如图7所示。由图7可以看出纤维素微球对亚甲基蓝有很强的吸附能力，能在五分钟之内达到吸附平衡，最大吸附量达26.2mg/g。

准确称取实施例1中制备的纤维素微球50mg放入4ml的离心管中，将5mg布洛芬溶解在2ml乙醇中，然后用注射器逐滴将布洛芬溶液滴加到小离心管中，借助纤维素微球中微孔的毛细作用，将布洛芬吸入孔内，之后借助真空泵将乙醇在低压下挥发除去，制得装载有布洛芬的多孔纤维素微球体系，将干燥后的装载布洛芬的纤维素微球分散在pH=4的缓冲液中，并以10rpm的转速搅拌，每隔一段时间取样测定布洛芬从微球中的释放量，最后得到纤维素缓释布洛芬的动力学曲线(如图8)。由图8可以看出，负载在纤维素微球上的布洛芬缓慢释放，在30个小时的释放过程中，它的释放量仅为50%。

实施例3

（1）配制纤维素溶胶：将一定量的纤维素溶解在溶剂中，经过冷冻、搅拌，离心去除杂质，得到质量浓度为3%的透明纤维素溶胶液。

（2）雾化：将雾化喷头处的压力调整到300kPa，以一定的速度将透明的纤维素溶胶液输入到喷头处，使其在压缩空气作用下雾化。

（3）凝固：凝固浴置于喷头下方，使纤维素溶胶雾化后直接喷入质量浓度为5%的醋酸水溶液或蒸馏水凝固浴，凝固浴经磁子搅拌以维持浴液pH值均匀，同时以一定的速度向凝固浴中注入醋酸水溶液以保证凝固浴的pH值基本不变。

（5）干燥：将洗涤至中性的纤维素凝胶微球重新分散在纯水中，利用喷雾干燥机进行喷雾干燥，干燥温度180℃，得到干燥的纤维素微球。

实施例4

（1）配制纤维素溶胶：将一定量的纤维素溶解在溶剂中，经过冷冻、搅拌，离心去除杂质，得到质量浓度为1%的透明纤维素溶胶液。

（2）雾化：将雾化喷头处的压力调整到200kPa，以一定的速度将透明的纤维素溶胶输入到喷头处，使其在压缩空气作用下雾化。

（3）凝固：凝固浴选择稀醋酸(1～2wt%)溶解的壳聚糖溶胶，将该凝固浴液置于喷头下方，使纤维素溶胶雾化后直接喷入凝固浴，喷雾-凝固过程中，连续向浴液中添加壳聚糖的稀醋酸溶液并搅拌，以保持浴液的组成均匀性。

（5）干燥：将洗涤至中性的壳聚糖包覆纤维素凝胶微球重新分散在纯水中，利用喷雾干燥机进行喷雾干燥，干燥温度140℃，得到干燥的壳聚糖包覆纤维素复合微球。

Claims

1.一种制备纤维素微球的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)配制纤维素溶胶：将纤维素溶解在溶剂中，经过冷冻、搅拌，离心去除杂质，得到透明的纤维素溶胶；所述溶剂为氢氧化钠和尿素的混合水溶液；

(2)纤维素溶胶雾化：将透明的纤维素溶胶输入到喷头处，使纤维素溶胶在压力作用下雾化；

(3)凝固：纤维素溶胶雾化后直接进入醋酸水溶液或蒸馏水凝固浴，同时向凝固浴中注入醋酸水溶液以保证凝固浴的pH值保持小于7且基本不变，整个喷雾凝固过程凝固浴利用磁子搅拌；

(4)洗涤：将步骤(3)所得到的纤维素凝胶微球的悬浊液用蒸馏水洗涤多次至中性；

(5)喷雾干燥：将洗涤至中性的纤维素凝胶微球重新分散在水中，经喷雾干燥机喷雾干燥，得到干燥的纤维素微球；

步骤(1)中，纤维素溶胶的质量浓度为1％～4％；所述溶剂中氢氧化钠、尿素和水的质量比为6∶13∶81；

步骤(2)中，喷头处的喷雾压力为200～400kPa；

步骤(3)中，醋酸水溶液凝固浴的质量浓度≥5％；

步骤(5)中，喷雾干燥温度选取140～180℃。

2.一种制备壳聚糖包覆的纤维素复合微球的方法，其特征在于包括以下步骤：

(3)凝固-包覆：纤维素溶胶雾化后喷入置于喷头下方的凝固浴中，凝固浴为壳聚糖溶解在质量浓度为1～2％的醋酸水溶液中形成的稀溶胶，整个喷雾凝固过程凝固浴利用磁子搅拌；

(4)洗涤：将步骤(3)所得到的壳聚糖包覆纤维素的复合结构凝胶微球悬浊液用蒸馏水洗涤至中性；

(5)干燥：将洗涤至中性的壳聚糖包覆纤维素的复合结构凝胶微球重新分散在水中，经喷雾干燥机喷雾干燥，得到干燥的壳聚糖包覆的纤维素复合微球；

步骤(1)中，纤维素溶胶的质量浓度为1％～4％；

步骤(2)中，喷头处的喷雾压力为200～400kPa；

步骤(3)中，所述壳聚糖与醋酸水溶液的质量比是0.5:99.5；

步骤(5)中，喷雾干燥温度选取140～180℃。