CN104262667A - 一种藻酸盐基材料外部可控离子交联方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种藻酸盐基材料外部可控离子交联方法，所述方法步骤如下：1）将三价或二价金属盐、无水乙醇与去离子水按照质量比为1～5:5～40:60～95的比例混合，配制成离子交联溶液；2）将海藻酸钠基材料浸入步骤1）所制备的离子交联溶液10分钟～10小时进行交联反应，随后用去离子水洗除残留交联液，干燥即得交联藻酸盐基材料。本方法解决了内部可控离子交联工艺复杂、成本高、效率低、难以实现产业化应用的问题，以简单、绿色环保、低成本的方式实现对藻酸盐基材料的外部可控离子交联，降低了较快交联速率导致的交联不均一、尺寸收缩严重、美观度差的问题，为藻酸盐基材料的大规模产业化生产提供了基础。

Description

一种藻酸盐基材料外部可控离子交联方法

技术领域

本发明涉及一种天然高分子基材料的制备方法，具体涉及一种藻酸盐基材料的外部可控离子交联方法。

背景技术

海藻酸是由甘露糖醛酸（G）和古罗糖醛酸（M）构成的多糖，已被用作生物基体材料几十年。通常，海藻酸以海藻酸钠的形式存在和使用。但由于海藻酸钠是水溶性高分子，在水溶液或者高湿度环境中会迅速溶解或坍塌。因此，将海藻酸钠转变为具有交联结构的材料，改善其耐水性、力学性能、结构完整性、刚性以及药物可控缓释等性能是其使用的前提。

目前，已经开发出的海藻酸钠基材料交联方法包括：离子交联、热交联、化学交联以及细胞交联。然而，工艺复杂的热交联与细胞交联的藻酸盐材料通常强度较低，无法满足实际使用，而化学交联会产生有毒残留物，使其无法作为生物材料使用。因此，与工业和生物技术应用最相关、相对最简单、最容易实现工业化的交联方法是海藻酸钠与某些三价或二价阳离子的外部离子交联。三价或二价阳离子（如Fe³⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺、Cu²⁺）趋向于替换海藻酸分子链中G链段结合的钠离子，产生交联“蛋盒”结构，完成交联过程。

外部离子交联可以简单的通过将海藻酸钠材料浸入三价或二价金属阳离子水溶液中，随着金属阳离子扩散进入藻酸盐基体中交联，形成凝胶。然而，外部离子交联过程速率太快、可控度较差，导致所得材料易产生局部交联和尺寸收缩，影响材料的均匀性和美观度。为了解决这个问题，研究人员开发出了内部离子缓释交联方法，即通过在酸性环境下从不可溶性二价或三价金属盐中缓慢释放三价或二价阳离子从而得到均质的基体，但是内部离子交联过程复杂难控制、成本较高、效率低，不适于大规模产业化应用。

外部离子交联海藻酸钠的过程包括两步，首先是水分子渗透进入海藻酸分子链，引起海藻酸分子链溶胀，这一步是交联速率的控制步骤；第二步是二价或三价金属离子进入分子链，发生瞬时离子交换反应。由于海藻酸钠的亲水性非常强，容易吸收水分子而溶解，导致其交联速率控制步骤即水分子的渗透速率过快，最终导致在二价或三价金属阳离子水溶液中的外部交联速率过快，以至无法控制。而海藻酸钠在无水乙醇中是不溶的，从而海藻酸钠在无水乙醇作为溶剂的交联剂溶液中是无法交联的。因此，通过向二价或三价金属阳离子水溶液中加入无水乙醇，可以干扰水分子渗入海藻酸钠基体的过程，延迟水分子渗透进入海藻酸钠分子链，从而实现对交联过程的控制。   

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明通过向二价或三价金属阳离子水溶液中加入无水乙醇，提供一种新型藻酸盐材料外部可控离子交联方法，实现外部离子交联过程的延迟与可控，为藻酸盐基材料的大规模工业化生产提供基础。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种藻酸盐基材料外部可控离子交联方法，包括以下步骤：

1）将三价或二价金属盐、无水乙醇与去离子水按照质量比为1～5:5～40:60～95的比例混合配制成离子交联溶液；所述三价或二价金属盐为Fe³⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺、Cu²⁺阳离子金属盐的一种或多种；

2）将海藻酸钠基材料浸入步骤1）所制备的离子交联溶液10分钟～10小时进行交联反应，随后用去离子水洗除残留交联液，干燥即得交联藻酸盐基材料；所述藻酸盐基材料可为微球、膜、海绵以及涂层等。

作为上述方案的优选，所述Fe³⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺、Cu²⁺三价或二价金属阳离子盐分别为氯化铁、硫酸铁、氯化亚铁、氯化锰、氯化钙、氯化锶、氯化钡、硫酸铜、氯化铜。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用不同质量百分比的三价或二价金属盐、无水乙醇与去离子水混合配制成不同可控度的离子交联溶液，并通过将海藻酸钠材料浸入交联溶液交联一定时间，得到交联藻酸盐基材料，过程简单、绿化环保、成本低，并解决了内部可控离子交联工艺复杂、成本高、效率低、难以实现产业化应用的问题。

2、本发明可以通过调节三价或二价金属盐、无水乙醇与去离子水的质量百分比得到不同可控度的交联溶液，交联速率，降低了较快交联速率导致的交联不均一、尺寸收缩严重、美观度差的问题，为藻酸盐基材料的大规模产业化生产提供了基础。

附图说明

图1为使用2wt.%氯化钙水溶液交联制备的藻酸钙微球（左）和实施例1所制备的藻酸钙微球（右）；

图2为使用2wt.%氯化钙水溶液交联制备的藻酸钙膜（左）和实施例2所制备的藻酸钙膜（右）；

图3为使用2wt.%氯化钙水溶液交联制备的藻酸钙海绵（左）；实施例3所制备的藻酸钙海绵（右）；

图4为使用2wt.%氯化钙水溶液交联制备的藻酸钙涂覆止血纱布（上）和实施例4所制备的藻酸钙涂覆止血纱布（下）。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1

本实施例提供了一种外部可控离子交联的藻酸钙微球的制备方法，其步骤如下：

一、配制外部可控离子交联溶液：将氯化钙2g、去离子水80g、无水乙醇18g混合均匀，配制成可控离子交联溶液。

二、将2g海藻酸钠溶于98ml去离子水中，50℃下，400r/min搅拌4小时，并超声波处理除去气泡，使用注射器将溶液滴入不断搅拌的氯化钙/乙醇/去离子水交联溶液中，得到藻酸钙凝胶微球，交联1小时后，取出干燥12小时，即得藻酸钙微球。

由图1可知，氯化钙水溶液交联制备的藻酸钙微球收缩严重，颗粒变形大，表面褶皱；而本发明氯化钙/乙醇/水溶液交联剂制备的藻酸钙微球干燥以后收缩小，表面均匀光滑，具有较好的改善效果。

实施例2

本实施例提供了一种外部可控离子交联的藻酸钙膜的制备方法，其步骤如下：

一、配制外部可控离子交联溶液：将氯化钙2g、去离子水80g、无水乙醇18g混合均匀，配制成可控离子交联溶液。

二、将2g海藻酸钠溶于98ml去离子水中，50℃下，400r/min搅拌4小时，并超声波处理除去气泡，随后浇筑于培养皿（直径为6cm），并置于35℃鼓风干燥箱中干燥24小时。从培养皿中剥离干燥后的浇筑膜，浸入配制好的氯化钙/乙醇/去离子水交联溶液中交联30分钟，随后用去离子水冲洗除去残留交联溶液，干燥以后即得藻酸钙膜。

由图2可知，氯化钙水溶液交联制备的藻酸钙膜表面由于交联不均而产生了褶皱、卷曲现象以及严重的尺寸收缩；而本发明氯化钙/乙醇/水溶液交联剂制备的藻酸钙膜表面光滑无褶皱，透明度高，具有较好的改善效果。

实施例3

本实施例提供了一种外部可控离子交联的藻酸钙海绵的制备方法，其步骤如下：

一、配制外部可控离子交联溶液：将氯化钙2g、去离子水80g、无水乙醇18g混合均匀，配制成可控离子交联溶液。

二、将2g海藻酸钠溶于98ml去离子水中，50℃下，400r/min搅拌4小时，并超声波处理除去气泡后，浇筑于培养皿（直径为6cm；高度5mm），然后放入-20℃冰箱中预冻20小时，随后取出放入冷冻干燥机，干燥温度为-25°C，真空度为 40Pa 以下，冷冻干燥24小时，脱模得到成形的海藻酸钠海绵。将海藻酸钠海绵浸渍于氯化钙/乙醇/去离子水交联溶液中交联5小时，即得藻酸钙海绵。

由图3可知，氯化钙水溶液交联制备的藻酸钙海绵结构均一性、完整性差；而本发明氯化钙/乙醇/水溶液交联剂制备的藻酸钙海绵结构均一、完整性好，具有较好的改善效果。

实施例4

本实施例提供了一种外部可控离子交联的藻酸钙涂层的制备方法，其步骤如下：

一、配制外部可控离子交联溶液：将氯化钙2g、去离子水80g、无水乙醇18g混合均匀，配制成可控离子交联溶液。

二、将2g海藻酸钠溶于98ml去离子水中，50℃下，400r/min搅拌4小时，配制成质量浓度为2%的海藻酸钠溶液。将提前称量好的待涂覆止血纱布浸入海藻酸钠溶液中，并进行机械搅拌（50r/min）。然后取出止血纱布浸渍于氯化钙/乙醇/去离子水交联溶液中2小时，随后用去离子水冲洗除去残留交联液，置于鼓风干燥箱中30℃下干燥20小时即可在止血纱布表面涂覆一层外部可控离子交联藻酸钙的涂层。

由图4可知，氯化钙水溶液交联制备的藻酸钙涂覆的止血纱布表面局部交联不均一，易产生褶皱，纱布颜色由于交联过度而显暗黄；本发明氯化钙/乙醇/水溶液交联剂制备的藻酸钙涂覆改性的止血纱布表面均一，具有较好的改善效果。

实施例5 

本实施例提供了一种外部可控离子交联的藻酸钡微球的制备方法，其步骤如下：

一、配制外部可控离子交联溶液：将氯化钡1.8g、去离子水85g、无水乙醇23g混合均匀，配制交可控离子交联溶液。

二、将2g海藻酸钠溶于98ml去离子水中，50℃下，200r/min搅拌5小时，并超声波处理除去气泡，使用注射器将溶液滴入不断搅拌的氯化钡/乙醇/去离子水交联溶液中，得到藻酸钡凝胶微球，交联1小时后，取出干燥12小时，即得藻酸钡微球。

实施例6

本实施例提供了一种外部可控离子交联的藻酸铁涂层的制备方法，其步骤如下：

一、配制外部可控离子交联溶液：将氯化铁2g、去离子水80g、无水乙醇18g混合均匀，配制成可控离子交联溶液。

二、将2g海藻酸钠溶于98ml去离子水中，50℃下，400r/min搅拌4小时，配制成质量浓度为2%的海藻酸钠溶液。将提前称量好的待涂覆止血纱布浸入海藻酸钠溶液中，并进行机械搅拌（50r/min）。然后取出止血纱布浸渍于氯化铁/乙醇/去离子水交联溶液中2小时，随后用去离子水冲洗除去残留交联液，置于鼓风干燥箱中30℃下干燥20小时即可在止血纱布表面涂覆一层外部可控离子交联藻酸铁的涂层。

实施例7

本实施例提供了一种外部可控离子交联的藻酸钙/藻酸钡复合膜的制备方法，其步骤如下：

一、配制外部可控离子交联溶液：将氯化钙1g、氯化钡1g、去离子水80g、无水乙醇18g混合均匀，配制成可控离子交联溶液。

二、将2g海藻酸钠溶于98ml去离子水中，50℃下，400r/min搅拌4小时，并超声波处理除去气泡，随后浇筑于培养皿（直径为6cm），并置于35℃鼓风干燥箱中干燥24小时。从培养皿中剥离干燥后的浇筑膜，浸入配制好的氯化钙/氯化钡/乙醇/去离子水交联溶液中交联40分钟，随后用去离子水冲洗除去残留交联溶液，干燥以后即得藻酸钙/藻酸钡复合膜。

Claims (10)

1.一种藻酸盐基材料外部可控离子交联方法，其特征在于所述方法步骤如下：

1）将三价或二价金属盐、无水乙醇与去离子水按照质量比为1～5:5～40:60～95的比例混合，配制成离子交联溶液；

2）将海藻酸钠基材料浸入步骤1）所制备的离子交联溶液10分钟～10小时进行交联反应，随后用去离子水洗除残留交联液，干燥即得交联藻酸盐基材料。

2.根据权利要求1所述的藻酸盐基材料外部可控离子交联方法，其特征在于所述三价或二价金属盐为Fe³⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺、Cu²⁺阳离子金属盐的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的藻酸盐基材料外部可控离子交联方法，其特征在于所述Fe³⁺金属盐为氯化铁或硫酸铁。

4.根据权利要求1所述的藻酸盐基材料外部可控离子交联方法，其特征在于所述Fe²⁺金属盐为氯化亚铁。

5.根据权利要求1所述的藻酸盐基材料外部可控离子交联方法，其特征在于所述Mn²⁺金属盐为氯化锰。

6.根据权利要求1所述的藻酸盐基材料外部可控离子交联方法，其特征在于所述Ca²⁺金属盐为氯化钙。

7.根据权利要求1所述的藻酸盐基材料外部可控离子交联方法，其特征在于所述Sr²⁺金属盐为氯化锶。

8.根据权利要求1所述的藻酸盐基材料外部可控离子交联方法，其特征在于所述Ba²⁺金属盐为氯化钡。

9.根据权利要求1所述的藻酸盐基材料外部可控离子交联方法，其特征在于所述Cu²⁺金属盐为硫酸铜或氯化铜。

10.根据权利要求1所述的藻酸盐基材料外部可控离子交联方法，其特征在于所述藻酸盐基材料的类型为微球、膜、海绵或涂层。