CN107057108A - 一种结构和性能可控的壳聚糖材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种结构和性能可控的壳聚糖材料及其制备方法，该方法包括如下步骤：(1)将壳聚糖溶解到酸性溶液中，冷冻成型后，浸入低温盐溶液中制成海绵；(2)将海绵压缩后浸入交联剂溶液中，在保持压缩的情况下交联成型；(3)洗去交联剂，再次冷冻干燥得到壳聚糖海绵。

Description

一种结构和性能可控的壳聚糖材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及医用或者工业用的结构和性能可控的壳聚糖材料及其制备方法。
背景技术
壳聚糖(chitosan)又称脱乙酰甲壳素，是由自然界广泛存在的几丁质(chitin)经过脱乙酰作用得到的，化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖。自1859年法国人Rouget首先得到壳聚糖后，这种天然高分子的生物官能性和相容性、血液相容性、安全性、微生物降解性等优良性能被各行各业广泛关注，在医药、食品、化工、化妆品、水处理、金属提取及回收、生化和生物医学工程等诸多领域的应用研究取得了重大进展。
壳聚糖水凝胶或海绵被广泛应用于医用领域中，包括止血敷料和组织工程等。冷冻干燥法由于过程简单、对设备要求低等成为其主要的制备方法。如中国专利CN101979104A所述，传统的壳聚糖海绵一般包括醋酸水溶液溶解、冷冻干燥、碱液中和、二次冷冻干燥等步骤。中国专利CN104288841报道了一种具有弹性的多孔壳聚糖海绵支架的制作方法，采用了在无水乙醇中交联的方法，简化了制备过程，更适合用于组织工程。
如上所述，壳聚糖在酸性水溶液中以电解质的形式存在。这时，壳聚糖通过酸中的质子与壳聚糖上的胺基作用形成铵盐，从而破坏壳聚糖分子间的氢键，进而实现溶解过程。但是壳聚糖的分子量大、溶解度低，达到一定浓度后就会形成非常粘稠的溶液，无法制备更大浓度的溶液。因此，传统的冷冻干燥工艺限制了壳聚糖海绵结构的调整，影响了壳聚糖海绵的物理机械性能。
目前的压缩海绵主要是指高温热压成的聚酯、聚醚或聚氨酯泡沫海绵，利用热软化但是不熔融的方法，降低海绵的孔隙度，获得海绵的良好耐油性、高抗拉力、高密度和高硬度等。但是这些化学品的生物相容性差，且不可以生物降解。对于多糖材料如壳聚糖、透明质酸和海藻酸钠等，热分解温度低于软化温度，目前无法使用热压缩的方法制备。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种用于医学和工业的壳聚糖材料及其制备方法。该方法包括以下步骤：(1)将壳聚糖溶解到酸性溶液中，冷冻成型后，浸入低温盐溶液中制成海绵；(2)将海绵压缩后浸入交联剂溶液中，在保持压缩的情况下交联成型；(3)洗去交联剂，再次冷冻干燥得到壳聚糖海绵。
根据本发明方法的一种优选实施方案，所述酸性溶液包括但不限于甲酸、乙酸、盐酸水溶液，优选醋酸水溶液，优选浓度为0.1-10％，更优选1-2％，所述浓度为重量百分比。
根据本发明方法的一种优选实施方案，步骤(1)中的冷冻成型在-10℃至-80℃之间的温度下进行，优选-15℃至-30℃。
根据本发明方法的一种优选实施方案，步骤(3)中的冷冻干燥在-10℃至-80℃之间的温度下进行，优选-15℃至-30℃。
在本申请中，术语“低温盐溶液”中的低温是指温度低于壳聚糖溶液的熔点。
根据本发明方法的一种优选实施方案，所述盐溶液是具有高于15g/100ml的盐离子浓度的盐溶液，优选饱和溶液。所述盐包括但不限于卤素盐，如氯化钠/钾/钙/镁/铝等，优选氯化钠。
根据本发明方法的一种优选实施方案，所述压缩是指根据应用的不同将海绵压缩到所需的比例，如压缩2倍等。该压缩可以是一个、两个或者三个维度上的压缩，优选一个维度上的压缩。
根据本发明方法的一种优选实施方案，所述交联剂是指可以物理和/或化学交联的化学试剂，包括但不限于PBS缓冲液、碱液、聚磷酸盐、醛、醚和京尼平等。
根据本发明的另一方面，提供一种通过上述本发明方法制备的壳聚糖海绵。
本发明的壳聚糖海绵可用于敷料、再生医学和工业吸附等。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：利用压缩交联的方法解决了现有技术无法大范围调控海绵的孔隙率、孔形态和物理机械性能的问题。
附图说明
图1是根据本发明的壳聚糖材料制备方法的示意性流程图；
图2是根据本发明的壳聚糖材料的扫描电子显微镜(SEM)图，表现了不同压缩比例的壳聚糖海绵的表面微观结构。其中A和C压缩比例为1，B和D压缩比例为6；A和B为纵截面，C和D为横截面。
图3是根据本发明的壳聚糖材料的性能，表现了不同压缩比例的壳聚糖海绵的弹性模量和吸水率。
图4是根据本发明的壳聚糖材料的实物照片。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步描述。应理解，本申请要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。此外应理解，在阅读了本申请讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书限定的范围内。
实施例1
壳聚糖的制备方法参考中国专利103665191B、01107664.X进行，简述如下：对鲜虾躯壳或鲜蟹腿筛选精处理，经过三酸三碱处理，脱除虾躯壳或蟹腿的蛋白质、脂肪、色素和钙质等，制备不同脱乙酰度的壳聚糖。
称取1.0g壳聚糖粉末，其中壳聚糖的脱乙酰度为85％，粘度为116cp.s。将壳聚糖溶于50mL 1％(v/v)醋酸水溶液中，配制得到2.0％(w/v)的壳聚糖溶液。然后将溶液倒在模具中，于-20℃冰箱中进行预冷冻。将冻结后的壳聚糖溶液取出后，放置于-20℃的饱和氯化钠水溶液中浸泡48h。
将得到的壳聚糖海绵从饱和氯化钠水溶液中取出，分别压缩至原高度的1/2、1/3、1/4、1/8。保持压缩比例下，放入1.0M NaOH溶液中浸泡24h。将壳聚糖海绵从碱溶液中取出，用去离子水清洗数次，洗去残余的氯化钠和交联剂。然后将清洗后的海绵在-20℃冷冻，然后真空度5Pa下干燥，即得到多孔壳聚糖海绵。
通过扫描电子显微镜(SEM)对本实施例制备得到的不同压缩比例的壳聚糖海绵进行表征，其表面微观结构如图2所示。由图可见，随着压缩比例的增加，孔隙度减小。
海绵的物理机械性能和吸水率也随着压缩而改变，如图3所示。随着压缩比例的提高，机械性能增加，吸水率下降。
海绵的吸水率：称取一定量(m1)的海绵并浸入去离子水中，30s后取出称量，质量记为m2，吸水率r＝(m2-m1)/m1。
海绵的压缩模量：将样品在5.0mm/min的速度下压缩，测试压缩模量。
实施例2
称取1.5g壳聚糖粉末，其中壳聚糖的脱乙酰度为98％，粘度为116cp.s。将壳聚糖溶于50mL 3％(v/v)醋酸水溶液中，配制得到3.0％(w/v)的壳聚糖溶液。然后将溶液倒在模具中，于-20℃冰箱中进行预冷冻。将冻结后的壳聚糖溶液取出后，放置于-20℃的氯化钠在1:1的乙醇/水中的饱和溶液中48h。
将得到的壳聚糖海绵从溶液中取出，压缩至原高度的2/3、1/3、1/6。保持压缩比例下，放入2.0M氢氧化钾溶液中浸泡48h。反应完后将壳聚糖海绵取出，用去离子水清洗数次，洗去残余的氯化钠和氢氧化钾。然后将清洗后的海绵-80℃冷冻，然后真空度3Pa下干燥，即得到多孔壳聚糖海绵。
实施例3
称取1.5g壳聚糖粉末，其中壳聚糖的脱乙酰度为98％，粘度为116cp.s。将壳聚糖溶于50mL 1.5％(v/v)醋酸水溶液中，配制得到3.0％(w/v)的壳聚糖溶液。然后将溶液倒在模具中，于-20℃冰箱中进行预冷冻。将冻结后的壳聚糖溶液取出后，放置于-20℃的饱和氯化钾水溶液中48h。
将得到的壳聚糖海绵从饱和氯化钾水溶液中取出，压缩至原高度的2/3、1/3、1/6。保持压缩比例下，放入20×PBS缓冲溶液中浸泡48h。反应完后将壳聚糖海绵取出，用去离子水清洗数次，洗去残余的氯化钾和PBS缓冲溶液。然后将清洗后的海绵冷冻干燥，即得到多孔壳聚糖海绵。
20×PBS缓冲溶液配方：Na2HPO4·12H2O(磷酸氢二钠)3.473g，NaH2PO4·12H2O(磷酸二氢钠)0.226g，NaCl(氯化钠)0.9g，溶于50ml水中，调节pH＝7.4。
实施例4
称取1.0g壳聚糖粉末，其中壳聚糖的脱乙酰度为98％，粘度为116cp.s。将壳聚糖溶于50mL 2％(v/v)醋酸水溶液中，配制得到2.0％(w/v)的壳聚糖溶液。然后将溶液倒在模具中，于-80℃冰箱中进行预冷冻。将冻结后的壳聚糖溶液取出后，放置于-20℃的饱和氯化钙水溶液中48h。
将壳聚糖海绵从饱和氯化钙水溶液中取出，压缩至原高度的3/4、1/5、1/10。保持压缩比例下，放入2.5％三聚磷酸钠(TPP)溶液中浸泡48h。反应完后将壳聚糖海绵从TPP溶液中取出，用去离子水清洗数次，洗去残余的氯化钙和TPP。然后将清洗后的海绵冷冻干燥，即得到多孔壳聚糖海绵。
实施例5
称取1.0g壳聚糖粉末，其中壳聚糖的脱乙酰度为98％，粘度为116cp.s。将壳聚糖溶于50mL 1％(v/v)醋酸水溶液中，配制得到2.0％(w/v)的壳聚糖溶液。然后将溶液倒在模具中，于-40℃冰箱中进行预冷冻。将冻结后的壳聚糖溶液取出后，放置于-20℃的饱和氯化钠水溶液中48h。
将壳聚糖海绵从饱和氯化钠溶液中取出，压缩至原高度的1/4、1/8、1/15。保持压缩比例下，放入0.25％戊二醛溶液中浸泡24h。反应完后将壳聚糖海绵从戊二醛溶液中取出，用去离子水清洗数次，洗去残余的氯化钠和戊二醛。然后将清洗后的海绵-20℃冷冻，然后真空度5Pa下干燥，即得到多孔壳聚糖海绵。
实施例6
称取2.0g壳聚糖粉末，其中壳聚糖的脱乙酰度为98％，粘度为116cp.s。将壳聚糖溶于50mL 1％(v/v)醋酸水溶液中，配制得到4.0％(w/v)的壳聚糖溶液。然后将溶液倒在模具中，于-20℃冰箱中进行预冷冻。将冻结后的壳聚糖溶液取出后，放置于-20℃的饱和氯化钠水溶液中48h。
将壳聚糖海绵从饱和氯化钠溶液中取出，压缩至原高度的1/2、1/4、1/8。保持压缩比例下，放入0.5％京尼平溶液中浸泡48h。反应完后将壳聚糖海绵从京尼平溶液中取出，用去离子水清洗数次，洗去残余的氯化钠和京尼平。然后将清洗后的海绵-30℃冷冻，然后真空度10Pa下干燥，即得到多孔壳聚糖海绵。

Claims (9)

1.一种结构和性能可控的壳聚糖材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将壳聚糖溶解到酸性溶液中，冷冻成型后，浸入低温盐溶液中制成海绵；
(2)将海绵压缩后浸入交联剂溶液中，在保持压缩的情况下交联成型；
(3)洗去交联剂，再次冷冻干燥得到壳聚糖海绵。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述酸性溶液包括但不限于甲酸、乙酸、盐酸水溶液，优选醋酸水溶液，优选浓度为0.1-10％，更优选1-2％，所述浓度为重量百分比。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述盐溶液是具有高于15g/100ml的盐离子浓度的盐溶液，优选饱和溶液。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，所述盐溶液中的盐包括但不限于卤素盐，如氯化钠/钾/钙/镁/铝等，优选氯化钠。
5.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，所述压缩是一个、两个或者三个维度上的压缩，优选一个维度上的压缩。
6.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，所述交联剂选自PBS缓冲液、碱液、聚磷酸盐、醛、醚和京尼平。
7.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，步骤(1)中的冷冻成型在-10℃至-80℃之间的温度下进行，优选-15℃至-30℃。
8.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，步骤(3)中的冷冻干燥在-10℃至-80℃之间的温度下进行，优选-15℃至-30℃。
9.采用权利要求1至8之一的方法制备的壳聚糖材料。
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