CN105820352B - 一种正电性几丁质纳米纤维水凝胶及气凝胶的制备方法 - Google Patents

一种正电性几丁质纳米纤维水凝胶及气凝胶的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种正电性几丁质纳米纤维水凝胶及气凝胶的制备方法，包括1）取几丁质原料进行预处理，获得几丁质浆料；2）几丁质浆料经常温或高温碱处理，获得部分脱乙酰基几丁质；3）部分脱乙酰基几丁质在弱酸性水溶液中经机械处理制备得到正电性几丁质纳米纤维分散液；4）正电性几丁质纳米纤维分散液经碱性凝固浴处理制备得到物理交联的正电性几丁质纳米纤维水凝胶；5）正电性几丁质纳米纤维水凝胶经干燥脱水制备得到正电性几丁质纳米纤维气凝胶。本方法简单且可操作性强，可低成本的实现水凝胶制备；所制备的几丁质纳米纤维水凝胶、气凝胶材料具有形态好，浓度低，强度高、生物相容且无毒无害的优点，在生物医药方面具有良好的应用前景。

Description

一种正电性几丁质纳米纤维水凝胶及气凝胶的制备方法
技术领域
本发明涉及几丁质的应用领域，具体涉及一种正电性几丁质纳米纤维水凝胶及气凝胶的制备方法。
背景技术
几丁质是一类结构类似于纤维素的氨基多糖生物聚合物。1963年，Rudall根据X-射线衍射光谱得到的结果，提出了几丁质存在着α、β、γ三种晶型。这三种晶型是由分子内和分子间不同的氢键作用而形成的。其中，α-几丁质大部分存在于甲壳类生物的外壳中，如虾壳、螃蟹壳等；β-几丁质则主要存在于鱿鱼顶骨、管虫、硅藻等生物中。在工业加工过程中，几丁质主要通过酸处理和碱处理脱去碳酸钙和蛋白质得到。几丁质包括其脱乙酰主要衍生物壳聚糖，都具有极其广泛的应用价值，如：护肤品、组织工程、生物医学敷料、牙科、水处理工程、药物载体等领域。结合其特殊生物来源、高结晶度、物理强度、良好的生物兼容性、以及能够分散为纳米纤维的性质，几丁质已经发展成为新的高功能材料并受到了广泛的关注。其中α-几丁质广泛存在于自然界，也是自然界中储量最大的几丁质类型，因此对α-几丁质的研究具有重要意义。
目前几丁质纳米纤维基水凝胶、气凝胶方面的专利较少，专利CN103357059A公开了一种几丁质凝胶创可贴及其制备方法，该方法主要采用几丁质、聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠、聚维酮、明胶、甘羟铝、甘油、纯化水及醋酸按比例混合，制备出具有消炎杀菌、加速伤口愈合的创可贴材料。专利CN102942660B公开了一种天然生物交联的纳米复合三维凝胶支架及其制备方法，该方法主要采用丙烯酰胺类单体、无机纳米粘土、含有氨基、羧基或者羟基功能基团的生物高分子（包括几丁质）和生物交联剂京尼平按比例混合制备出可用于医用移植、药物释放和细胞培养的生物支架材料。在现有文章著作方面，Chuchu Chen等人利用真空抽滤的方法在氯化钙/甲醇体系中制备出几丁质纳米纤维水凝胶及气凝胶材料，结果发现在湿态条件下几丁质纳米纤维凝胶表现出良好的机械性能。Changyu Chang等人利用碱脲体系溶解几丁质，并且进一步制备出表氯醇交联的几丁质化学水凝胶材料，实验发现几丁质水凝胶不仅具有机械强度高、孔隙均一的特点且对293T细胞具有良好的生物相容性和无毒无害性，在生物支架方面具有良好的应用前景。
以上专利公开的几丁质凝胶材料虽然原料中含有几丁质但是并没有制备纯的几丁质纳米纤维凝胶材料，且现有文章中几丁质纳米纤维水凝胶的制备步骤复杂、耗能大且没有超低浓度(<0.6%)条件下的物理凝胶制备报道。
发明内容
发明目的：针对几丁质纳米纤维应用方面的探索，本发明目的是提供一种正电性几丁质纳米纤维水凝胶的制备方法。主要解决如何使超低浓度（<0.6%）的正电性几丁质纳米纤维分散液凝胶化难题，不需通过化学交联等复杂过程，在没加任何别的高分子化合物的情况下制备出机械强度较高的物理水凝胶。本发明的另一目的是提供一种正电性几丁质纳米纤维气凝胶的制备方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种正电性几丁质纳米纤维水凝胶的制备方法，具体步骤如下：
1）取几丁质原料进行预处理，获得几丁质浆料；
2）步骤1）得到的几丁质浆料经常温或高温碱处理，获得部分脱乙酰基几丁质；
3）步骤2）得到的部分脱乙酰基几丁质在弱酸性水溶液中经机械处理制备得到正电性几丁质纳米纤维分散液；
4）步骤3）得到的正电性几丁质纳米纤维分散液经碱性凝固浴处理制备得到物理交联的正电性几丁质纳米纤维水凝胶。
步骤1）中，所述几丁质原料包含有虾壳、蟹壳、鱿鱼顶骨。
步骤2）中，碱质量浓度为20-40%，常温碱处理条件为室温处理24-72小时，高温碱处理条件为80℃至110℃处理2-5小时。
步骤3）中，弱酸为包含醋酸在内的各种有机和无机质子酸。
步骤4）中，碱性凝固浴包括氨水，固体氨，碳酸氢铵等凝固浴。
步骤4）中，碱性凝固浴处理时间为1-5天。
所述的制备正电性几丁质纳米纤维水凝胶的方法，将得到的正电性几丁质纳米纤维水凝胶经干燥脱水制备得到正电性几丁质纳米纤维气凝胶。
所述干燥方法为冷冻干燥、超临界干燥等。
有益效果：与现有技术相比，本发明的正电性几丁质纳米纤维水凝胶、气凝胶的制备方法，方法简单且可操作性强，可低成本的实现水凝胶制备；所制备的几丁质纳米纤维水凝胶、气凝胶材料具有形态好，浓度低，强度高的优点。该方法没有使用任何有毒化学品，制备出的几丁质纳米纤维水凝胶、气凝胶材料具有生物相容且无毒无害的优点，在生物医药方面具有良好的应用前景。可高效利用生物质资源，拓宽生物质的用途，提高其使用价值，为高效利用生物质资源提供新的思路和途径。本发明利用简便易得且成本低廉的蒸汽凝固浴，凝胶制备过程简单高效，且能在低浓度条件下成功制备网络结构丰富的物理凝胶材料，为几丁质纳米纤维的应用提供了新思路、新方法。
附图说明
图1是正电性部分脱乙酰基几丁质纳米纤维分散液以及纳米纤维透射电镜图；
图2是正电性几丁质纳米纤维水凝胶图；
图3是正电性几丁质纳米纤维气凝胶图片以及扫描电镜图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步的阐述。实施例是为说明而非限制本发明。本领域中任何普通技术人员能够理解这些实施例不以任何方式限制本发明，可做适当的修改而不违背本发明的实质和偏离本发明的范围。
实施例1：几丁质浆料的制备
取螃蟹壳原料，洗净并切成碎片，将切碎后原料于1 M氢氧化钠与1 M盐酸交替处理12h，处理三个循环去除蟹壳中的蛋白和钙质，再以0.5% NaClO2溶液漂白脱除蟹壳中的色素。漂白完成后，用蒸馏水将漂白蟹壳洗至中性，置于4℃冰箱中保存。用粉碎机将漂白螃蟹壳碎片粉碎成浆状，得到纯化后的几丁质浆料。
实施例2：部分脱乙酰基几丁质以及正电性几丁质纳米纤维分散液的制备
配制30%（质量比）左右NaOH溶液。取纯化后的几丁质浆料4 g干重，加入到该碱液中搅拌均一，并于90℃水浴条件下以100转每分钟搅拌处理4 h，反应结束。将该反应体系以滤布过滤得沉淀并以蒸馏水洗涤至中性，得到脱乙酰度为30%的部分脱乙酰基几丁质。以微量冰醋酸将1％部分脱乙酰基几丁质悬浮液调pH至3左右并进一步进行匀浆超声处理，最终离心取上清液获得正电性几丁质纳米纤维分散液。其zeta-电位为+36 mV。正电性部分脱乙酰基几丁质纳米纤维分散液以及纳米纤维透射电镜图如图1所示。
实施例3：碳酸氢铵凝固浴制备正电性几丁质纳米纤维水凝胶
配置0.6%的正电性几丁质纳米纤维分散液，取20 mL正电性几丁质纳米纤维分散液置于50 mL烧杯中，另取250 mL烧杯放置20 g碳酸氢氨固体，将小烧杯放置于大烧杯中以保鲜袋封口，处理3天后取出小烧杯，制备得到均一且透光良好的正电性几丁质纳米纤维水凝胶。
实施例4：氨水蒸气浴制备0.6%浓度的几丁质纳米纤维水凝胶
配置10%氨水溶液和0.6%的正电性几丁质纳米纤维分散液，取20 mL正电性几丁质纳米纤维分散液置于小烧杯中，另取大烧杯倒入20 mL上述配置氨水溶液，将小烧杯放置于大烧杯中以封口膜封口，处理1天后取出小烧杯，制备得到均一且透光良好的正电性几丁质纳米纤维水凝胶，如图2所示。
实施例5：氨水蒸气浴制备0.2%浓度的几丁质纳米纤维水凝胶
配置10%氨水溶液和0.2%的正电性几丁质纳米纤维分散液，取20 mL正电性几丁质纳米纤维分散液置于50 mL烧杯中，另取250 mL烧杯倒入20 mL上述配置氨水溶液，将小烧杯放置于大烧杯中以保鲜膜封口，处理5天后取出小烧杯，制备得到均一且透光良好的正电性几丁质纳米纤维水凝胶。
实施例6：氨水蒸气浴制备1.0%浓度的几丁质纳米纤维水凝胶
配置10%氨水溶液和1.0%的正电性几丁质纳米纤维分散液，取20 mL正电性几丁质纳米纤维分散液置于50 mL烧杯中，另取250 mL烧杯倒入20 mL上述配置氨水溶液，将小烧杯放置于大烧杯中以保鲜膜封口，处理3天后取出小烧杯，制备得到均一且透光良好的正电性几丁质纳米纤维水凝胶，经流变分析测定水凝胶弹性模量G’达到10000 Pa。
实施例7：氨水蒸气浴制备2.0%浓度的几丁质纳米纤维水凝胶
配置10%氨水溶液和2.0%的正电性几丁质纳米纤维分散液，取20 mL正电性几丁质纳米纤维分散液置于50 mL烧杯中，另取250 mL烧杯倒入20 mL上述配置氨水溶液，将小烧杯放置于大烧杯中以保鲜膜封口，处理3天后取出小烧杯，制备得到均一且透光良好的正电性几丁质纳米纤维水凝胶。
实施例8：25%脱乙酰度几丁质制备几丁质纳米纤维水凝胶
配制20%（质量比）左右NaOH溶液。取纯化后的几丁质浆料4 g干重，加入到该碱液中搅拌均一，并于90℃水浴条件下以100转每分钟搅拌处理6 h，反应结束。将该反应体系以滤布过滤得沉淀并以蒸馏水洗涤至中性，得到脱乙酰度为25%的部分脱乙酰基几丁质。以微量冰醋酸将1％部分脱乙酰基几丁质悬浮液调pH至3左右并进一步进行匀浆超声处理，最终离心取上清液获得正电性几丁质纳米纤维分散液。再配置10%氨水溶液和上述制备的的正电性几丁质纳米纤维分散液，取20 mL正电性几丁质纳米纤维分散液置于50 mL烧杯中，另取250 mL烧杯倒入20 mL上述配置氨水溶液，将小烧杯放置于大烧杯中以保鲜膜封口，处理3天后取出小烧杯，制备得到均一且透光良好的正电性几丁质纳米纤维水凝胶。
实施例9：38%脱乙酰度几丁质制备几丁质纳米纤维水凝胶
配制40%（质量比）左右NaOH溶液。取纯化后的几丁质浆料4 g干重，加入到该碱液中搅拌均一，并于100℃水浴条件下以100转每分钟搅拌处理3h，反应结束。将该反应体系以滤布过滤得沉淀并以蒸馏水洗涤至中性，得到脱乙酰度为38%的部分脱乙酰基几丁质。将部分脱乙酰基几丁质以1:10的固液比与1%的醋酸溶液混合并进一步进行匀浆超声处理，最终离心取上清液获得正电性几丁质纳米纤维分散液。再配置10%氨水溶液和上述制备的的正电性几丁质纳米纤维分散液，取20 mL正电性几丁质纳米纤维分散液置于50 mL烧杯中，另取250 mL烧杯倒入20 mL上述配置氨水溶液，将小烧杯放置于大烧杯中以保鲜膜封口，处理3天后取出小烧杯，制备得到均一且透光良好的正电性几丁质纳米纤维水凝胶。
实施例10：几丁质纳米纤维气凝胶制备
配置10%氨水溶液和0.6%的正电性几丁质纳米纤维分散液，取20 mL正电性几丁质纳米纤维分散液置于小烧杯中，另取大烧杯倒入20 mL上述配置氨水溶液，将小烧杯放置于大烧杯中以封口膜封口，处理3天后取出小烧杯，制备得到均一且透光良好的正电性几丁质纳米纤维水凝胶。将制取的几丁质纳米纤维物理水凝胶以液氮速冻，并冷冻干燥3天，制备得到几丁质纳米纤维气凝胶，正电性几丁质纳米纤维气凝胶图片以及扫描电镜图如图3所示。
虽然本发明已按照上述具体实施方式做了描述，但是本发明的发明思想并不仅限于此发明，任何运用本发明思想的改装，都将纳入本专利专利权保护范围内。

Claims (5)

1.一种正电性几丁质纳米纤维水凝胶的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
1）取几丁质原料进行预处理，获得几丁质浆料；
2）步骤1）得到的几丁质浆料经常温或高温碱处理，获得部分脱乙酰基几丁质；其中，碱质量浓度为20-40%，常温碱处理条件为室温处理24-72小时，高温碱处理条件为80℃至110℃处理2-5小时；
3）步骤2）得到的部分脱乙酰基几丁质在弱酸性水溶液中经机械处理制备得到正电性几丁质纳米纤维分散液；其中，弱酸为醋酸；
4）步骤3）得到的正电性几丁质纳米纤维分散液经氨水蒸气浴处理制备得到物理交联的正电性几丁质纳米纤维水凝胶；其中，正电性几丁质纳米纤维分散液浓度不超过2%。
2.根据权利要求1所述的制备正电性几丁质纳米纤维水凝胶的方法，其特征在于：步骤1）中，所述几丁质原料包含有虾壳、蟹壳、鱿鱼顶骨。
3.根据权利要求1所述的制备正电性几丁质纳米纤维水凝胶的方法，其特征在于：步骤4）中，氨水蒸气浴处理时间为1-5天。
4.一种制备正电性几丁质纳米纤维气凝胶的方法，其特征在于，具体步骤如下：
1）取几丁质原料进行预处理，获得几丁质浆料；
2）步骤1）得到的几丁质浆料经常温或高温碱处理，获得部分脱乙酰基几丁质；其中，碱质量浓度为20-40%，常温碱处理条件为室温处理24-72小时，高温碱处理条件为80℃至110℃处理2-5小时；
3）步骤2）得到的部分脱乙酰基几丁质在弱酸性水溶液中经机械处理制备得到正电性几丁质纳米纤维分散液；其中，弱酸为醋酸；
4）步骤3）得到的正电性几丁质纳米纤维分散液经氨水蒸气浴处理制备得到物理交联的正电性几丁质纳米纤维水凝胶；其中，正电性几丁质纳米纤维分散液浓度不超过2%；
5）将得到的正电性几丁质纳米纤维水凝胶经干燥脱水制备得到正电性几丁质纳米纤维气凝胶。
5.根据权利要求4所述的制备正电性几丁质纳米纤维气凝胶的方法，其特征在于：所述干燥方法为冷冻干燥、超临界干燥。
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