CN107604477A - 一种电场取向壳聚糖纳米纤维及其制备方法与应用 - Google Patents
一种电场取向壳聚糖纳米纤维及其制备方法与应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107604477A CN107604477A CN201710755048.7A CN201710755048A CN107604477A CN 107604477 A CN107604477 A CN 107604477A CN 201710755048 A CN201710755048 A CN 201710755048A CN 107604477 A CN107604477 A CN 107604477A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- chitosan
- electric field
- nano fiber
- preparation
- chitosan nano
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Abstract
本发明公开了一种电场取向壳聚糖纳米纤维及其制备方法与应用。本发明的制备方法包括如下步骤：(1)壳聚糖用酸溶解成壳聚糖稀溶液；(2)将壳聚糖稀溶液置于电场中，在保持通电的情况下进行低温相分离，然后冷冻干燥得到所述的电场取向壳聚糖纳米纤维。该制备方法工艺简单易行，并且可以与具有大孔结构的三维支架材料相结合，灵活性及适应性高。本发明制备的得到的壳聚糖纳米纤维具有规整的取向排列结构，在结构性能上实现对天然细胞外基质的仿生构建，在组织工程材料领域、仿生材料领域中具有广阔应用前景。
Description
技术领域
本发明属于生物医用高分子材料技术领域，特别涉及一种电场取向壳聚糖纳米纤维及其制备方法与应用。
背景技术
人体大多数组织的细胞外基质是由直径为50～500nm的蛋白多糖和胶原纤维构成的三维取向纳米纤维结构，对细胞黏附和调控生长行为起重要作用(Tissue Engineering2007,13(8):1845-1866)，因此制备取向排列的纳米纤维结构对仿生构建组织工程支架以促进组织再生有重要意义。壳聚糖是一种天然碱性多糖，分子结构与细胞外基质中的糖胺聚糖相似，具有良好的生物相容性和生物降解性，在组织工程领域已被广泛应用。本课题组前期已研发了一种壳聚糖纳米纤维的相分离制备的专利技术(ZL200910214403.5)，通过将壳聚糖稀溶液在液氮条件下相分离可得到直径为50～500nm的纳米纤维，但得到的壳聚糖纳米纤维是无规排列的，为了获得仿生结构的壳聚糖纳米纤维，需要使无规排列的壳聚糖纳米纤维有规则地取向排列。
目前制备取向排列聚合物纳米纤维的主要方法是静电纺丝，采用高压电场和喷射高粘度的聚合物流体，在高压电场中聚合物流体表面会带上静电，在强电场力作用下发生取向，形成取向排列的聚合物纳米纤维。但静电纺丝技术需要特殊的设备，工艺较复杂；同时该技术无法与其他可制备具有三维大孔结构的支架材料制备工艺结合，以获得组织工程三维支架材料所需要的直径为几百微米的大孔结构(Biomaterials 2005,26:2603-2610)。
在前期研究中，本课题组利用相分离技术已成功制备出壳聚糖纳米纤维(ZL200910214403.5)，并成功将壳聚糖纳米纤维引入到三维多孔支架材料(如聚乳酸多孔支架Materials Science and Engineering C 2012,32:1496-1502和聚碳酸亚丙酯多孔支架Journal of Materials Science:Materials in Medicine 2012,23:517-525)的大孔结构中，但由于壳聚糖分子链在稀溶液中呈无规线团，仅通过相分离技术得到的大孔结构中的壳聚糖纳米纤维是无规排列的。要想在支架大孔中获得像细胞外基质中胶原纤维那样的取向排列结构，需要在相分离制备壳聚糖纳米纤维过程中施加一取向力，但如何在获得复杂体系中获得取向力并与相分离技术有机结合，成为目前的技术难题。
因此，如何结合相分离技术获得取向排列的聚合物纳米纤维成为目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种电场取向壳聚糖纳米纤维的制备方法，采用简单的工艺实现对天然细胞外基质的仿生制备。
本发明的另一目的在于提供通过所述的制备方法制得的电场取向壳聚糖纳米纤维。
本发明的又一目的在于提供所述的制备方法或所述的电场取向壳聚糖纳米纤维的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种电场取向壳聚糖纳米纤维的制备方法，包括如下步骤：
(1)壳聚糖用酸溶解成壳聚糖稀溶液；
(2)将步骤(1)所得壳聚糖稀溶液置于电场中，在保持通电的情况下进行低温相分离，然后冷冻干燥得到所述的电场取向壳聚糖纳米纤维。
为更好地实现本发明：
作为优选，步骤(1)中所述的壳聚糖脱乙酰度为70％～100％、重均分子量为2000～150万。
作为优选，步骤(1)中所述的酸为溶解壳聚糖且使壳聚糖被质子化的酸；进一步优选为乙酸、盐酸；所述酸为体积百分浓度为0.005％～0.5％的酸。
作为优选，步骤(1)中所述的壳聚糖稀溶液的浓度为1×10-4～1×10-3g/mL。
作为优选，步骤(2)中所述的电场的强度为1～12V。
作为优选，步骤(2)中所述的电场的两电极距离为1～6cm。
作为优选，步骤(2)中所述的通电的时间为1～20min。
作为优选，步骤(2)中所述的低温相分离为在液氮中冷冻0.5～10h进行相分离。
作为优选，步骤(2)中所述的冷冻干燥的时间优选为1～7天。
一种电场取向壳聚糖纳米纤维，通过上述的制备方法制备得到。
作为优选，本发明所得电场取向壳聚糖纳米纤维的直径为50～500nm。
所述的制备方法或所述的电场取向壳聚糖纳米纤维在组织工程材料领域中的应用；所述的应用进一步优选为仿生材料领域中的应用。
本发明的原理如下：
与静电纺丝技术不同，本发明创造性地采用低电压和稀溶液，并结合相分离技术，来制备取向排列的壳聚糖纳米纤维。本发明的发明人研究发现：壳聚糖分子链上含有大量氨基，易被溶剂质子化而带正电。如果在壳聚糖稀溶液低温相分离形成纳米纤维的过程中施加一低压直流电场，无规排列的壳聚糖分子可在电场力作用下发生取向。
由于在本发明的制备方法体系中，电场强度、壳聚糖分子链带正电性和壳聚糖分子间作用力等因素之间彼此相互影响且关系复杂，本发明的发明人通过对多个关键工艺参数进行大量创新研究与综合调控，不仅使得无规排列的壳聚糖分子在电场力作用下发生取向，同时创造性地结合低温相分离技术，将在稀溶液中处于取向状态的壳聚糖分子链固定下来，然后通过干燥技术除去溶剂，从而获得取向排列的壳聚糖纳米纤维结构。例如，本发明通过使用容易使壳聚糖质子化的良溶剂对壳聚糖分子链的带正电性进行调控；通过配制成壳聚糖稀溶液来消除壳聚糖分子间作用力对取向的干扰；研究过程中还发现，由于高电压和通电时间过长会使溶液发热，溶液过热会使溶剂挥发而影响取向，因此本发明还通过选用低电压、通电时间和电极间距等对本发明技术方案的进一步优化。
本发明也有利于与其他多孔支架材料相结合，在支架大孔中引入取向排列的壳聚糖纳米纤维，对实现组织工程支架材料的仿生构建有重要意义。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1.成功制备得到了取向排列的壳聚糖纳米纤维
本发明创造性地采用低电压和稀溶液，并结合相分离技术，成功制备得到了取向排列的壳聚糖纳米纤维。与ZL200910214403.5相比，本发明制备的壳聚糖纳米纤维具有规整的取向排列结构；同时，也为在支架大孔中获得像细胞外基质中胶原纤维相似取向排列结构奠定了扎实基础。
2.本发明的制备工艺简单易行，灵活性及适应性高
与静电纺丝技术不同，大大简化了取向排列壳聚糖纳米纤维的制备工艺，不需要特殊的设备；并且可以与具有大孔结构的三维支架材料相结合，将取向排列的壳聚糖纳米纤维引入到支架材料的大孔中，在结构性能上实现对天然细胞外基质的仿生构建，在组织工程材料领域具有广阔应用前景。
附图说明
图1是本发明制备方法的说明示意图。
图2是实施例1制得的电场取向壳聚糖纳米纤维的扫描电镜照片图。
图3是实施例2制得的电场取向壳聚糖纳米纤维的扫描电镜照片图。
图4是实施例3制得的电场取向壳聚糖纳米纤维的扫描电镜照片图。
图5是对比例1制得的壳聚糖纳米纤维的扫描电镜照片图。
图6是对比例2制得的壳聚糖纳米纤维的扫描电镜照片图。
图7是对比例3制得的壳聚糖纳米纤维的扫描电镜照片图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
下述实施例中所用试剂无特别说明均为市售化学分析纯。
实施例1
称取0.005g壳聚糖(脱乙酰度85％，重均分子量为35万)溶于10mL体积百分浓度为0.1％的盐酸溶液中，配制成质量浓度为5×10-4g/mL的壳聚糖盐酸稀溶液。然后将该溶液加入到两电极距离为3cm的模具(如图1所示)中，施加6V的直流电压，通电5min后，在保持通电的条件下将壳聚糖盐酸稀溶液置于液氮中冷冻10h，最后冷冻干燥7天，所得电场取向壳聚糖纳米纤维如图2所示。所得的电场取向壳聚糖纳米纤维的平均直径约为50～500nm。
实施例2
称取0.005g壳聚糖(脱乙酰度70％，重均分子量为150万)溶于10mL体积百分浓度为0.5％的盐酸溶液中，配制成质量浓度为1×10-4g/mL的壳聚糖盐酸稀溶液。然后将该溶液加入到两电极距离为6cm的模具中，施加12V的直流电压，通电1min后，在保持通电的条件下将壳聚糖盐酸稀溶液置于液氮中冷冻5h，最后冷冻干燥3天，所得电场取向壳聚糖纳米纤维如图3所示。所得的电场取向壳聚糖纳米纤维的平均直径约为50～500nm。
实施例3
称取0.005g壳聚糖(脱乙酰度100％，重均分子量为2000)溶于10mL体积百分浓度为0.01％的醋酸溶液中，配制成质量浓度为1×10-3g/mL的壳聚糖醋酸稀溶液。然后将该溶液加入到两电极距离为1cm的模具中，施加1V的直流电压，通电20min后，在保持通电的条件下将壳聚糖醋酸稀溶液置于液氮中冷冻0.5h，最后冷冻干燥1天，所得电场取向壳聚糖纳米纤维如图4所示。所得的电场取向壳聚糖纳米纤维的平均直径约为50～500nm。
对比例1
称取0.005g壳聚糖(脱乙酰度70％，重均分子量为2000)溶于10mL体积百分浓度为0.01％的醋酸溶液中，配制成质量浓度为1×10-3g/mL的壳聚糖醋酸稀溶液。然后将所述的壳聚糖醋酸稀溶液置于液氮中冷冻0.5h，最后冷冻干燥1天，得到壳聚糖纳米纤维。其扫描电镜照片图如图5所示，虽然所得壳聚糖纳米纤维的平均直径约为50～500nm；但本对比例制得的壳聚糖纳米纤维是杂乱无序的。
对比例2
称取0.005g壳聚糖(脱乙酰度85％，重均分子量为35万)溶于10mL体积百分浓度为0.1％的盐酸溶液中，配制成质量浓度为5×10-4g/mL的壳聚糖盐酸稀溶液。然后将该溶液加入到两电极距离为3cm的模具(如图1所示)中，施加15V的直流电压，通电25min后，在保持通电的条件下将壳聚糖盐酸稀溶液置于液氮中冷冻10h，最后冷冻干燥7天，所得电场取向壳聚糖纳米纤维如图6所示。由于电压过高，通电时间过长，致使溶液过热，溶剂挥发，影响了壳聚糖分子链的取向，导致壳聚糖纳米纤维团聚。
对比例3
称取0.005g壳聚糖(脱乙酰度70％，重均分子量为150万)溶于10mL体积百分浓度为0.5％的盐酸溶液中，配制成质量浓度为1×10-4g/mL的壳聚糖盐酸稀溶液。然后将该溶液加入到两电极距离为10cm的模具中，施加12V的直流电压，通电1min后，在保持通电的条件下将壳聚糖盐酸稀溶液置于液氮中冷冻5h，最后冷冻干燥3天，所得电场取向壳聚糖纳米纤维如图7所示。由于电极间距过大，导致电场强度较小且不均匀，得不到较好的取向排列壳聚糖纳米纤维结构。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电场取向壳聚糖纳米纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)壳聚糖用酸溶解成壳聚糖稀溶液；
(2)将步骤(1)所得壳聚糖稀溶液置于电场中，在保持通电的情况下进行低温相分离，然后冷冻干燥得到所述的电场取向壳聚糖纳米纤维。
2.根据权利要求1所述的电场取向壳聚糖纳米纤维的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的壳聚糖稀溶液的浓度为1×10-4～1×10-3g/mL。
3.根据权利要求1所述的电场取向壳聚糖纳米纤维的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的酸为体积百分浓度为0.005％～0.5％的酸。
4.根据权利要求1所述的电场取向壳聚糖纳米纤维的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的酸为溶解壳聚糖且使壳聚糖被质子化的酸。
5.根据权利要求1所述的电场取向壳聚糖纳米纤维的制备方法，其特征在于：
步骤(2)中所述的电场的强度为1～12V。
6.根据权利要求1所述的电场取向壳聚糖纳米纤维的制备方法，其特征在于：
步骤(2)中所述的电场的两电极距离为1～6cm。
7.根据权利要求1所述的电场取向壳聚糖纳米纤维的制备方法，其特征在于：
步骤(2)中所述的通电的时间为1～20min。
8.根据权利要求1所述的电场取向壳聚糖纳米纤维的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的壳聚糖的脱乙酰度为70％～100％、重均分子量为2000～150万。
9.一种电场取向壳聚糖纳米纤维，通过权利要求1～8任一项所述的电场取向壳聚糖纳米纤维的制备方法制备得到。
10.权利要求1～8任一项所述的电场取向壳聚糖纳米纤维的制备方法或权利要求9所述的电场取向壳聚糖纳米纤维的应用，其特征在于：
所述的应用为在组织工程材料领域中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710755048.7A CN107604477B (zh) | 2017-08-29 | 2017-08-29 | 一种电场取向壳聚糖纳米纤维及其制备方法与应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710755048.7A CN107604477B (zh) | 2017-08-29 | 2017-08-29 | 一种电场取向壳聚糖纳米纤维及其制备方法与应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107604477A true CN107604477A (zh) | 2018-01-19 |
| CN107604477B CN107604477B (zh) | 2019-10-18 |
Family
ID=61056188
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710755048.7A Active CN107604477B (zh) | 2017-08-29 | 2017-08-29 | 一种电场取向壳聚糖纳米纤维及其制备方法与应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107604477B (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108914248A (zh) * | 2018-07-19 | 2018-11-30 | 恒天纤维集团有限公司 | 壳聚糖复合纤维及其制备方法 |
| CN109999221A (zh) * | 2019-04-12 | 2019-07-12 | 清华大学 | 一种定向壳聚糖纤维水凝胶及其制备方法 |
| CN112225829A (zh) * | 2020-10-29 | 2021-01-15 | 江南大学 | 一种末端带电荷多糖及其制备方法 |
| CN114855453A (zh) * | 2022-06-17 | 2022-08-05 | 西安理工大学 | 自组装仿纤维独石结构的高导热复合材料的制备方法 |
| CN114959924A (zh) * | 2022-06-28 | 2022-08-30 | 衢州学院 | 一种纳米甲壳素纤维取向排列的高强磁场系统 |
| CN115652608A (zh) * | 2022-10-08 | 2023-01-31 | 衢州学院 | 一种纳米生物质纤维取向排列的高压电场系统 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101736438A (zh) * | 2009-12-30 | 2010-06-16 | 暨南大学 | 一种壳聚糖纳米纤维及其制备方法和应用 |
| CN102115918A (zh) * | 2011-03-13 | 2011-07-06 | 东华大学 | 一种超细定向聚合物纤维的射流稳定电驱动纺丝制备方法 |
| CN106044753A (zh) * | 2016-05-27 | 2016-10-26 | 江苏省特种设备安全监督检验研究院 | 一种高取向石墨烯膜的制备方法 |
-
2017
- 2017-08-29 CN CN201710755048.7A patent/CN107604477B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101736438A (zh) * | 2009-12-30 | 2010-06-16 | 暨南大学 | 一种壳聚糖纳米纤维及其制备方法和应用 |
| CN102115918A (zh) * | 2011-03-13 | 2011-07-06 | 东华大学 | 一种超细定向聚合物纤维的射流稳定电驱动纺丝制备方法 |
| CN106044753A (zh) * | 2016-05-27 | 2016-10-26 | 江苏省特种设备安全监督检验研究院 | 一种高取向石墨烯膜的制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 袁卉华: "稳定射流电纺丝法制备定向排列的壳聚糖超细纤维", 《高分子学报》 * |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108914248A (zh) * | 2018-07-19 | 2018-11-30 | 恒天纤维集团有限公司 | 壳聚糖复合纤维及其制备方法 |
| CN108914248B (zh) * | 2018-07-19 | 2020-11-24 | 恒天纤维集团有限公司 | 壳聚糖复合纤维及其制备方法 |
| CN109999221A (zh) * | 2019-04-12 | 2019-07-12 | 清华大学 | 一种定向壳聚糖纤维水凝胶及其制备方法 |
| CN112225829A (zh) * | 2020-10-29 | 2021-01-15 | 江南大学 | 一种末端带电荷多糖及其制备方法 |
| CN112225829B (zh) * | 2020-10-29 | 2021-08-24 | 江南大学 | 一种末端带电荷多糖及其制备方法 |
| CN114855453A (zh) * | 2022-06-17 | 2022-08-05 | 西安理工大学 | 自组装仿纤维独石结构的高导热复合材料的制备方法 |
| CN114855453B (zh) * | 2022-06-17 | 2024-03-08 | 西安理工大学 | 自组装仿纤维独石结构的高导热复合材料的制备方法 |
| CN114959924A (zh) * | 2022-06-28 | 2022-08-30 | 衢州学院 | 一种纳米甲壳素纤维取向排列的高强磁场系统 |
| CN115652608A (zh) * | 2022-10-08 | 2023-01-31 | 衢州学院 | 一种纳米生物质纤维取向排列的高压电场系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107604477B (zh) | 2019-10-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107604477B (zh) | 一种电场取向壳聚糖纳米纤维及其制备方法与应用 | |
| Fan et al. | Creating biomimetic anisotropic architectures with co-aligned nanofibers and macrochannels by manipulating ice crystallization | |
| Wan et al. | Fibers by interfacial polyelectrolyte complexation–processes, materials and applications | |
| Guo et al. | Self-powered electrical stimulation for enhancing neural differentiation of mesenchymal stem cells on graphene–poly (3, 4-ethylenedioxythiophene) hybrid microfibers | |
| Jin et al. | The electrically conductive scaffold as the skeleton of stem cell niche in regenerative medicine | |
| Yao et al. | Alginate and alginate/gelatin microspheres for human adipose-derived stem cell encapsulation and differentiation | |
| Worthington et al. | β-Hairpin peptide hydrogels for package delivery | |
| Kim et al. | Macroporous and nanofibrous hyaluronic acid/collagen hybrid scaffold fabricated by concurrent electrospinning and deposition/leaching of salt particles | |
| He et al. | Engineering an injectable electroactive nanohybrid hydrogel for boosting peripheral nerve growth and myelination in combination with electrical stimulation | |
| Anderson et al. | Peripheral nerve regeneration strategies: electrically stimulating polymer based nerve growth conduits | |
| Wasupalli et al. | Injectable and thermosensitive nanofibrous hydrogel for bone tissue engineering | |
| Lee et al. | Scaffold technologies for controlling cell behavior in tissue engineering | |
| Palmieri et al. | 3D graphene scaffolds for skeletal muscle regeneration: future perspectives | |
| CN109646713B (zh) | 一种藻酸盐/纳米黏土复合微载体及制备方法及装置 | |
| CN102797074A (zh) | 基于静电纺丝技术制备天然材料-脂质体复合纳米纤维 | |
| Qing et al. | Microfluidic printing of three-dimensional graphene electroactive microfibrous scaffolds | |
| Gulfam et al. | Highly porous core–shell polymeric fiber network | |
| Uz et al. | Conductive polymers and hydrogels for neural tissue engineering | |
| CN101736438B (zh) | 一种壳聚糖纳米纤维及其制备方法和应用 | |
| CN102397585A (zh) | 一种含生长因子的纤维支架及其制备方法 | |
| Dorishetty et al. | Silk fibroins in multiscale dimensions for diverse applications | |
| Zhang et al. | 3D anisotropic conductive fibers electrically stimulated myogenesis | |
| CN105126171A (zh) | 一种具有形状记忆功能的凝胶生物材料及其制备方法 | |
| Zamani et al. | Response of human mesenchymal stem cells to patterned and randomly oriented poly (vinyl alcohol) nano-fibrous scaffolds surface-modified with Arg-Gly-Asp (RGD) ligand | |
| CN107802888A (zh) | 一种促进软骨再生的纳米纤维支架的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |