CN106120297B - 一种基于等离子体表面改性和常温枝接反应制备苯硼酸功能基团纳米纤维膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于等离子体表面改性和常温枝接反应制备苯硼酸功能基团纳米纤维膜的方法，属于功能化纤维膜制备领域。将高分子聚合物溶液通过静电纺丝技术制备成纳米纤维膜，采用等离子体发射器处理纳米纤维膜，将其表面修饰成具有亲水性羧基基团的纳米纤维膜；再采用碳二亚胺和羟基琥珀酰亚胺作为偶联剂，通过形成酰胺酯键将苯硼酸枝接到纳米纤维表面，制备具有苯硼酸功能化基团的纳米纤维。本发明所制备的苯硼酸功能化纳米纤维膜，有丰富的苯硼酸功能化基团，且比表面积大、亲水性强、物理化学性能稳定，具有在水溶液中选择性识别顺式二醇类化合物的能力。

Description

一种基于等离子体表面改性和常温枝接反应制备苯硼酸功能 基团纳米纤维膜的方法
技术领域
本发明涉及一种基于等离子体表面改性和常温枝接反应制备苯硼酸功能基团纳米纤维膜的方法，属于功能化纤维膜制备领域。
背景技术
纳米纤维的广义定义是直径在10～1000nm之间的纤维，目前高分子聚合物由于其多样性和易操作性，已成为制备纳米纤维的主要材料。静电纺丝纳米纤维(简称静电纺纳米纤维)是一种借助高压静电作用对聚合物溶液或熔体进行纺丝的方法。利用该方法可以制备直径范围从数十纳米至数微米的纤维，由于直径超细且具有良好的电荷保持能力，使其表面能和活性增大，有很强的阻隔性和静电吸附力，展现出优良的吸附热力学和动力学特性。相比于传统纤维的比表面积(0.4m2/g)，静电纺丝纳米纤维的比表面积一般在40m2/g左右。当纤维表面或内部还有更细小的微孔时，通常其比表面积最高可>300m2/g，可以显著增加材料的吸附量。
大多数具有高机械强度和化学稳定性的高分子聚合物其表面往往呈现化学和生物学惰性；而具有活性表面的高分子聚合物，其通常不具备出色的机械性能。在不改变纳米纤维材料本身化学体组成和外观形貌和性质的情况下，对聚合物表面进行修饰改性或者功能化处理，是获得高性能的功能化纳米纤维的有效途径之一。近年来，对化学惰性的高分子聚合物纳米纤维表面进行修饰改性或者功能化处理，从而改变材料表面的导电性能、浸润性能、疏水性能或是获得具有功能化基团的纳米纤维等，从而扩大其应用范围，已经成为静电纺技术纳米纤维的应用的热点之一。
等离子体是一堆特定的带正负电荷的离子、电子、自由基、原子和分子的混合物，采用等离子体诱导各种气体修饰处理高分子聚合物，将会在聚合物表面产生自由基、羟基、羧基或羰基等化学功能化基团，从而增加聚合物材料表面的电荷、极性和亲水性，以利于吸附、可染性和血液相容性等后续应用。
在高分子纳米纤维中引入功能化基团的方法主要包含共混溶液掺杂纺丝法、同轴纺丝法、表面吸附法。三种方法中，功能化基团与纳米纤维的主要结合形式是嵌合或者吸附，其稳定程度、分布均匀性和功能化性能并不是很理想。
发明内容
针对通过共混溶液、同轴纺丝或表面吸附等方法制备的掺杂、嵌合或者吸附功能化基团的纳米纤维膜，其功能化基团的稳定性和分布均匀性不理想的缺陷，本发明旨在提供一种基于等离子体表面改性和常温枝接反应制备苯硼酸功能基团纳米纤维膜的方法，利用等离子体处理高分子电纺纳米纤维膜表面，并在常温下采用化学枝接反应，在纤维膜表面键合苯硼酸功能化基团，制备了具有高稳定性和选择性的苯硼酸功能化基团纳米纤维膜。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于等离子体表面改性和常温枝接反应制备苯硼酸功能基团纳米纤维膜的方法，其特征在于，包含以下步骤：
1)高分子纳米纤维膜制备：将高分子聚合物溶解于有机溶剂中，形成聚合物溶液，在阴极收集铝箔上放置圆形盖玻片，通过静电纺丝技术制备纳米纤维膜；
2)等离子体处理纳米纤维表面：将步骤1)制备的纳米纤维膜放置在等离子体发生器中照射处理，得到表面羧基化的纳米纤维膜；
3)碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺常温混合枝接化学反应偶联剂溶液的配制：将碳二亚胺(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)溶于磷酸盐缓冲液中，制备成含等比例EDC和NHS的混合溶液；
4)氨基苯硼酸溶液的配制：将氨基苯硼酸固体溶解于磷酸盐缓冲溶液，制备出浓度为5～20mg/mL的氨基苯硼酸溶液；
5)常温枝接化学反应的实施：在室温下将步骤2)处理后得到的表面羧基化的纳米纤维膜放置在多孔培养板内，放入钢环，加入步骤3)所配制的混合溶液，将纳米纤维膜沉浸其中，摇床震荡反应一定时间后，将反应液吸出，加入步骤4)所配制的氨基苯硼酸溶液，继续摇床震荡反应一定时间后，将反应液吸出，先后用磷酸盐缓冲溶液和水淋洗纳米纤维膜，于真空干燥箱中干燥过夜，得到在常温条件下枝接苯硼酸功能化基团的纳米纤维膜。
步骤1)所述的高分子聚合物为醋酸纤维素、聚己内酯、聚乳酸、聚羟基乙酸、聚羟基链烷酸酯或者聚丁二酸丁二醇酯中的一种或几种的混合物，所述的有机溶剂是指六氟异丙醇(HFP)、四氢呋喃(THF)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)或者三氯甲烷(CHCl3)中的一种；高分子聚合物质量与有机溶剂体积的质量/体积比为8％～20％(w/v)，具体单位为g/ml。通过静电纺丝技术制备纳米纤维膜的具体步骤为：在接收距离10～20cm的高压电阴极收集端铝箔上放置市售、直径24mm圆形盖玻片，施加10～20kV电压，微量注射泵推送聚合物溶液流量控制在0.5～1.0mL/h，收集制备纳米纤维膜。
步骤2)所述的等离子体照射是指在10～30W强度下照射20～420s。
步骤3)所述的等比例碳二亚胺(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)其浓度范围为5～20mg/mL。等比例是指碳二亚胺(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)的浓度相同。
步骤4)所述的氨基苯硼酸，为3-氨基苯硼酸或是4-氨基苯硼酸，其浓度范围为5～20mg/mL。
步骤5)中的多孔培养板优选为6孔培养板，常温枝接化学反应时间为4～12h。
步骤3)、步骤4)和步骤5)所述的的磷酸盐缓冲溶液可以是磷酸钠、磷酸钾缓冲溶液中的一种，其浓度0.10～0.30mol/L，pH为5～6。
相对于传统的含苯硼酸功能化基团的材料，本发明所制备的功能化纳米纤维具有以下特点：
1)以高比表面积的静电纺丝纳米纤维为模板，通过等离子体修饰处理聚合物表面，之后在常温下采用条件温和的化学枝接反应，将苯硼酸功能化基团通过共价键牢固键合在纳米纤维膜表面，相对于其他方法(如掺杂、嵌合或者吸附法所制备的功能化基团纳米纤维膜材料，具有更高的稳定性。
2)等离子体照射表面处理是一种简便、无损的高分子聚合物表面修饰改性处理技术，可以在聚合物表面产生自由基、羟基、羧基或羰基等化学功能化基团，从而增加聚合物材料表面的电荷、极性和亲水性。碳二亚胺(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)混合溶液是生物分子上实现羧基-氨基脱水缩合反应、形成酰胺酯键的常用偶联剂，该反应具有反应条件温和、反应液近中性、产率高、操作简单的特点。将上述两种技术结合，应用在纳米纤维膜表面处理中，可以在不改变或者破坏纳米纤维膜材料表面形貌的情况下，最大限度地实现纳米纤维膜表面修饰和化学性质的转变。
3)反应装置的选取：标准6孔培养板的直径为25mm，其配套圆形盖玻片直径24mm，因此通过静电纺所制备的圆形纳米纤维膜直径刚好是24mm，可以批量且方便的在6孔培养板内实现各种处理和化学反应而互不干扰。制备好的苯硼酸功能化基团的纳米纤维膜刚好可以放置于市售的直径25mm PP材质的液体过滤器中，便于后期应用纳米纤维膜作为选择性吸附材料。所选取的反应装置简单易得、后期使用匹配性良好。
4)所选取的聚合物(聚己内酯、醋酸纤维素、聚乳酸、聚羟基乙酸、聚羟基链烷酸酯或者聚丁二酸丁二醇酯)其分子结构中均有羰基基团，很容易在等离子体辐射下，产生亲水性的羧基，并在EDC和NHS催化下，与氨基苯硼酸的氨基发生脱水缩合反应，从而在常温下实现苯硼酸功能基团的牢固化学键合。
5)本发明所述的方法制备过程简单，反应条件温和，可操作性强，重复性好。
附图说明
图1是按照实施例1所制备的苯硼酸功能化PLLA纳米纤维膜(PLLA-g-APBA)与未进行枝接反应的PLLA纳米纤维膜的SEM图；
图2是按照实施例1所制备的枝接苯硼酸功能化基团的PLLA纳米纤维膜(PLLA-g-AB)与未进行枝接反应的PLLA纳米纤维膜的FT-IR图(图2上方吸收曲线对应PLLA-g-AB纳米纤维膜，波数1350cm-1附近可见B-O不对称伸缩振动吸收峰；图2下方吸收曲线对应未进行枝接反应的PLLA纳米纤维膜)。
图3是按照实施例1所制备的枝接苯硼酸功能化基团的PLLA纳米纤维膜(PLLA-g-APBA)与未进行枝接反应的PLLA纳米纤维膜对染料茜草色素红溶液吸附的UV-Vis吸收光谱图，图3下方吸收曲线对应PLLA-g-APBA纳米纤维膜，图3上方吸收曲线对应PLLA纳米纤维膜。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明作进一步描述。
本发明利用化学枝接反应，尤其是常温下温和的化学枝接技术，可以在不改变纳米纤维膜材料表面形貌和特性的条件是实现功能化基团稳定的化学键合，获得高性能的功能化纳米纤维膜。在合适的pH下，苯硼酸与自然界广泛存在的顺式二醇类化合物发生专属的可逆性亲和吸附/解吸附反应，从而选择性捕获此类化合物，达到选择性分离和富集的目的。本发明通过等离子体处理和常温下化学反应枝接技术，将苯硼酸功能化基团键合到高分子聚合物表面，可获得具有选择性识别复杂体系中顺式二醇类化合物的高性能纳米纤维膜，并可应用于选择性富集复杂基质中顺式二醇类化合物等领域。
实施例1
1)配制10％(w/v)聚乳酸(PLLA)的六氟异丙醇(HFP)溶液，将PLLA溶解于HFP溶液中，采用静电纺丝技术，在接收距离10cm的高压电阴极收集端铝箔上放置市售直径24mm圆形盖玻片，施加10kV电压，聚合物溶液流量控制在0.7mL/h，收集制备纳米纤维膜；
2)将步骤1)制备的纳米纤维膜放置在等离子体发生器中，于30W强度下照射420s，得到等离子体处理后表面羧基化的纳米纤维膜；
3)将碳二亚胺(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)加入同一pH 5的磷酸钠缓冲液(0.1mol/L)中，制备分别含EDC和NHS各20mg/mL的混合溶液；
4)将3-氨基苯硼酸固体溶解于pH 5的磷酸钠缓冲液(0.1mol/L)中，制备出浓度为20mg/mL的3-氨基苯硼酸溶液；
5)将步骤2)所处理的纳米纤维膜放置在6孔培养板内，放入钢环，加入步骤3)所配制的混合溶液2.0mL，将纳米纤维沉浸其中，将6孔培养板用铝箔包裹避光，摇床震荡反应8h后(以上操作在室温下进行，下同)，吸出反应液，加入步骤4)所配制的3-氨基苯硼酸溶液2.0mL，继续将6孔培养板用铝箔包裹避光，摇床震荡反应4h后(以上操作在室温下进行，下同)，用pH 5的磷酸钠缓冲液(0.1mol/L)淋洗2次，再用去离子水淋洗2次，于真空干燥箱中干燥过夜，得到枝接苯硼酸功能化基团的纳米纤维膜。
6)将实施例1所得的枝接苯硼酸的PLLA纳米纤维膜(PLLA-g-APBA)与普通未修饰PLLA纳米纤维膜的微观形貌、元素组成和吸附效能等进行对比；；从图1扫描电镜(SEM，条件为WD 15.8mm，15.0kV，x8.0k，5μm)结果可以看出该方法制备的PLLA-g-APBA纳米纤维膜与未枝接的PLLA纳米纤维膜相比，其纳米纤维膜的外观形貌没有发生明显改变。
图2是按照实施例1所制备的PLLA-g-AB纳米纤维膜与未进行枝接反应的PLLA纳米纤维膜的FT-IR对比图(图2上方吸收曲线对应PLLA-g-AB纳米纤维膜，波数1350cm-1附近可见B-O不对称伸缩振动吸收峰；图2下方吸收曲线对应未进行枝接反应的PLLA纳米纤维膜)。图2表明苯硼酸功能基团成功枝接于PLLA纳米纤维膜表面。
图3是按照实施例1所制备的PLLA-g-APBA纳米纤维膜与未进行枝接反应的PLLA纳米纤维膜对顺式二醇类染料茜草色素红(Alizarin Red S，ARS)溶液吸附效果的UV-Vis吸收光谱图(图3下方吸收曲线对应PLLA-g-APBA纳米纤维膜，图3上方吸收曲线对应PLLA纳米纤维膜)。图3表明，PLLA-g-APBA纳米纤维膜对顺式二醇染料具有明显的吸附效能，可以显著降低水溶液中茜草色素红的含量。
按照实施例1所制备的PLLA-g-APBA纳米纤维膜与未进行枝接反应的PLLA纳米纤维膜的EDS元素测定结果对比如表1。由表1可知，成功制备了含有硼元素的PLLA-g-APBA纳米纤维膜。
表1 EDS测定纳米纤维膜各元素组成
实施例2
1)配制8％(w/v)聚己内酯(PCL)的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液：将PCL溶解于DMF溶液中，采用静电纺丝技术，在接收距离15cm的高压电阴极收集端铝箔上放置市售直径24mm圆形盖玻片，施加20kV电压，聚合物溶液流量控制在0.5mL/h，收集制备纳米纤维膜；
2)将步骤1)制备的纳米纤维膜放置在等离子体发生器中，于30W强度下照射180s，得到等离子体处理后表面羧基化的纳米纤维膜；
3)将碳二亚胺(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)加入同一pH 5.5的磷酸钠缓冲液(0.1mol/L)中，制备分别含EDC和NHS各15mg/mL的混合溶液；
4)将3-氨基苯硼酸(3-APBA)固体溶解于pH 5.5的磷酸钠缓冲液(0.2mol/L)中，制备出浓度为15mg/mL的3-氨基苯硼酸溶液；
5)将步骤2)所处理的纳米纤维膜放置在6孔培养板内，放入钢环，加入步骤3)所配制的混合溶液2.0mL，将纳米纤维沉浸其中，将6孔培养板用铝箔包裹避光，摇床震荡反应8h后(以上操作上室温下进行，下同)，吸出反应液，加入步骤4)所配制的3-氨基苯硼酸溶液2.0mL，继续将6孔培养板用铝箔包裹避光，摇床震荡反应12h后(以上操作在室温下进行，下同)，用pH 5.5的磷酸钠缓冲液(0.2mol/L)淋洗2次，再用去离子水淋洗2次，于真空干燥箱中干燥过夜，得到枝接苯硼酸功能化基团的纳米纤维膜。
实施例3
1)配制15％(w/v)醋酸纤维素(CA)的六氟异丙醇(HFP)溶液：将CA溶解于HFP溶液中，采用静电纺丝技术，在接收距离15cm的高压电阴极收集端铝箔上放置市售直径14mm圆形盖玻片，施加15kV电压，聚合物溶液流量控制在1.0mL/h，收集制备纳米纤维膜；
2)将步骤1)制备的纳米纤维膜放置在等离子体发生器中，于20W强度下照射20s，得到等离子体处理后表面羧基化的纳米纤维膜；
3)将碳二亚胺(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)加入同一pH 6的磷酸钠缓冲液(0.2mol/L)中，制备分别含EDC和NHS各10mg/mL的混合溶液；
4)将4-氨基苯硼酸固体溶解于pH 6的磷酸钠缓冲液(0.2mol/L)中，制备出浓度为10mg/mL的4-氨基苯硼酸溶液；
5)将步骤2)所处理的纳米纤维膜放置在6孔培养板内，放入钢环，加入步骤3)所配制的混合溶液2.0mL，将纳米纤维沉浸其中，将6孔培养板用铝箔包裹避光，摇床震荡反应4h后(以上操作上室温下进行，下同)，吸出反应液，加入步骤4)所配制的4-氨基苯硼酸溶液2.0mL，继续将6孔培养板用铝箔包裹避光，摇床震荡反应4h后(以上操作在室温下进行，下同)，用pH 6的磷酸钠缓冲液(0.2mol/L)淋洗2次，再用去离子水淋洗2次，于真空干燥箱中干燥过夜，得到枝接苯硼酸功能化基团的纳米纤维膜。
本发明将高分子聚合物溶液通过静电纺丝技术制备成纳米纤维膜，采用等离子体发射器处理纳米纤维膜，将其表面修饰成具有亲水性羧基基团的纳米纤维膜。然后采用碳二亚胺和羟基琥珀酰亚胺作为催化剂，活化纳米纤维表面羧基。最后加入氨基苯硼酸，纳米纤维和氨基苯硼酸在上述催化剂作用下发生失水反应，通过形成酰胺酯键将苯硼酸枝接到纳米纤维表面，制备具有苯硼酸功能化基团的纳米纤维。本发明所制备的苯硼酸功能化纳米纤维，具有极大的表面积、亲水性和丰富且稳定的苯硼酸功能化基团，因而具有在水溶液中选择性识别顺式二醇类化合物的能力。所制备的纳米纤维在药物、生物、食品和环境样品中的顺式二醇类化合物富集等领域具有较高的应用价值。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于等离子体表面改性和常温枝接反应制备苯硼酸功能基团纳米纤维膜的方法，其特征在于，包含以下步骤：
1）纳米纤维膜制备：将高分子聚合物溶解于有机溶剂中形成聚合物溶液，在阴极收集铝箔上放置圆形盖玻片，通过静电纺丝技术制备纳米纤维膜；
2）等离子体处理纳米纤维膜表面：将步骤1）制备的纳米纤维膜放置在等离子体发生器中照射处理，得到表面羧基化的纳米纤维膜；
3）碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺常温混合枝接化学反应偶联剂溶液的配制：将碳二亚胺（EDC）和N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）溶于磷酸盐缓冲液中，制备成含等比例EDC和NHS的混合溶液；
4）氨基苯硼酸溶液的配制：将氨基苯硼酸固体溶于磷酸盐缓冲溶液；
5）常温枝接化学反应的实施：在室温下将步骤2）处理后得到的表面羧基化的纳米纤维膜放置在多孔培养板内，放入钢环，加入步骤3）所配制的混合溶液，将纳米纤维膜沉浸其中，摇床震荡反应一定时间后，将反应液吸出，加入步骤4）所配制的氨基苯硼酸溶液，继续摇床震荡反应一定时间后，将反应液吸出，先后用磷酸盐缓冲溶液和水淋洗纳米纤维膜，于真空干燥箱中干燥过夜，得到在常温条件下枝接苯硼酸功能化基团的纳米纤维膜；
步骤1）所述的高分子聚合物为醋酸纤维素、聚己内酯、聚乳酸、聚羟基乙酸、聚羟基链烷酸酯或者聚丁二酸丁二醇酯中的一种或几种的混合物；高分子聚合物与有机溶剂的质量体积比为8% ~ 20%w/v；
步骤2）所述的等离子体照射是指在10 ~ 30 W强度下照射20 ~ 420 s；
步骤3）所述的等比例碳二亚胺（EDC）和N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）混合溶液的浓度范围分别为5 ~ 20 mg/mL；
步骤4）所述的氨基苯硼酸，其浓度范围为5 ~ 20 mg/mL。
2.根据权利要求1所述的制备苯硼酸功能基团纳米纤维膜的方法，其特征在于，所述的有机溶剂指六氟异丙醇（HFP）、四氢呋喃（THF）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）或者三氯甲烷（CHCl3）中的一种；通过静电纺丝技术制备纳米纤维膜的具体步骤为：在接收距离10 ~ 20cm的高压电阴极收集端铝箔上放置市售、直径24 mm圆形盖玻片，施加10 ~ 20 kV电压，微量注射泵推送聚合物溶液流量控制在0.5 ~ 1.0 mL/h，收集制备纳米纤维膜。
3.根据权利要求1所述的制备苯硼酸功能基团纳米纤维膜的方法，其特征在于，步骤4）所述的氨基苯硼酸，为3-氨基苯硼酸或4-氨基苯硼酸。
4.根据权利要求1所述的制备苯硼酸功能基团纳米纤维膜的方法，其特征在于，步骤5）中的多孔培养板为6孔培养板，加入步骤3）所配制的混合溶液，将纳米纤维膜沉浸其中，摇床震荡反应4h或8h后，将反应液吸出，加入步骤4）所配制的氨基苯硼酸溶液，继续摇床震荡反应4h或12h后，将反应液吸出。
5.根据权利要求1所述的制备苯硼酸功能基团纳米纤维膜的方法，其特征在于，步骤3）、步骤4）和步骤5）所述的的磷酸盐缓冲溶液是磷酸钠、磷酸钾缓冲溶液中的一种，浓度0.10 ~ 0.30 mol/L，pH为5 ~ 6。
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