CN110093683B - 一种壳聚糖纳米纤维的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种壳聚糖纳米纤维的制备方法，利用双氧水和均质机均质的化学物理协同作用，首先将一定分子量和脱乙酰度的壳聚糖加入酸溶液中溶解，然后在一定温度下用双氧水降解处理得到分子量较小的降解壳聚糖，最后将降解壳聚糖经高压均质即可制得纳米壳聚糖纤维。经测试，所制备的壳聚糖纤维为纳米级别，制备得到壳聚糖纳米纤维直径为15～40nm，长度为200nm～1000nm，且在水和乙醇中能长时间分散均匀，几无团聚发生，测得刚制备得到的壳聚糖纳米纤维悬浮液zeta为34～41mV，放置两个月以后纳米壳聚糖悬浮液zeta电位仍高达32～36mV，说明稳定性极好。该方法操作简单，条件温和，环保安全，成本低，便于工业化生产，在生物医用、生物传感器、吸附剂、组织工程、膜材料、新能源材料领域具有广阔应用前景。

Description

一种壳聚糖纳米纤维的制备方法

技术领域

本发明涉及壳聚糖应用领域，特别涉及一种壳聚糖纳米纤维的制备方法。

背景技术

壳聚糖是甲壳素脱乙酰化后的产物，广泛存在于动植物中的一种可再生资源。壳聚糖具有许多独特性能，如亲水性、生物相容性、生物可降解性、抗菌、无毒、抗凝血性能等，是迄今发现唯一带有正电荷的天然多糖。壳聚糖分子结构中含有羟基，氨基等基团，易于通过化学改性制备成具有不同性质的衍生物，可广泛应用于组织工程、生物医药、吸附剂、膜材料、新能源材料等领域。

纳米壳聚糖材料是以壳聚糖为原料通过物理和化学方法制备的具有纳米尺度的材料，相比于纳米微球，纳米壳聚糖纤维具有独特优点，如高的比表面积、高的强度和结晶度等，可进一步应用于生物医用载体材料、气凝胶、生物传感器、3D打印、吸附剂、膜材料、电极、气凝胶、组织工程材料、聚合物增强材料、新能源材料等领域。然而，由于壳聚糖分子结构中含有氨基和羟基，分子内和分子间存在大量氢键，因此，纳米壳聚糖的分散是个难题。

目前，制备纳米壳聚糖材料的方法主要有离子交联法、乳化交联法、乳化-溶剂蒸发法、喷雾干燥法等。离子交联法主要是利用某些多价阴离子，如多聚磷酸钠(TPP)、柠檬酸盐等，以及某些带负电荷的生物高分子，如核酸、蛋白质等，通过它们带负电荷的基团与壳聚糖分子上的质子化氨基发生静电相互作用，进而交联成纳米粒子。离子交联法虽然简便，但制备的壳聚糖纳米微球不能在水中长时间稳定分散，且球状纳米壳聚糖无法应用于组织工程、膜材料以及新能源领域；乳化交联法制备壳聚糖微球是利用壳聚糖分子上的氨基与交联剂分子上的醛基形成化学交联，形成的微球经过过滤或离心，并用适宜的溶剂洗涤、干燥得到。乳化交联法制备的壳聚糖纳米微球难以长时间稳定分散，另外化学交联剂也不容易从体系中去除干净，而残留的交联剂会影响其应用效果；乳化-溶剂蒸发法是将模型药物溶于壳聚糖溶液，然后加入植物油中，经搅拌形成水/油(W/O)型乳液，持续搅拌并加热或抽真空，使溶剂完全蒸发，去除油相，再经清洗、纯化、过滤得到壳聚糖微球。该方法制备过程复杂，且微球尺寸难以控制，微球尺寸分布较宽，只能用于药物载体领域，应用面窄；喷雾干燥法是将壳聚糖的稀酸溶液喷入惰性气体的热气流中，使液滴中的溶剂迅速蒸发，得到微米级壳聚糖粉末。喷雾干燥法虽然快速高效，但生产成本高、能耗大、设备复杂。有科研人员使用冷冻干燥法制备得到了壳聚糖纳米纤维，但冷冻干燥时间长，制备过程中须使用液氮，导致成本增加。此外，纳米球尺寸也难以控制，故只停留在实验室阶段，不适于工业化制备。也有资料报道利用壳聚糖纤维或壳聚糖衍生物纤维用酸或碱预处理后对纤维原料打浆磨解，再用均质机均质得到壳聚糖纳米纤维。该法虽然生产成本低、技术设备成熟、可制备纤维形态纳米壳聚糖，但其分散稳定性欠佳，且该法制备的纳米壳聚糖纤维制备过程中容易引入其他杂质，使其应用受限。

因此，如何简便、低成本的制备壳聚糖纳米纤维，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种壳聚糖纳米纤维的制备方法，其操作简便、条件温和、环境友好度高，成本较低，适用于大规模工业化生产，制备得到的壳聚糖纳米纤维在水和/或乙醇中可长时间稳定分散，还能有效保证产品质量。

本发明的技术方案是：一种壳聚糖纳米纤维的制备方法，具有以下步骤：

1)配制浓度为1-5wt％的酸溶液，加入壳聚糖，在≤60℃条件下搅拌至溶解，得到壳聚糖溶液；

2)搅拌条件下，向步骤1)的壳聚糖溶液中滴加浓度≤12％的双氧水溶液，冷却至室温，得到含有降解产物A的悬浮液；

3)调节步骤2)悬浮液的pH值≮7，抽滤，取滤饼，水洗，得到降解产物B；

4)将步骤3)得到的降解产物B加入去离子水和/或乙醇中，搅拌均匀形成含有降解产物B的悬浮液，在室温下经均质化处理，得到壳聚糖纳米纤维悬浮液。

优选的，步骤1)所述壳聚糖的分子量为50000-200000，脱乙酰度为80％-95％，100体积份酸溶液中加入0.5-3重量份壳聚糖。

优选的，步骤1)所述酸溶液为乙酸溶液、甲酸溶液、己二酸溶液、苹果酸溶液中任一种或几种混合。

优选的，步骤1)在40-60℃条件下搅拌至溶解。

优选的，步骤2)双氧水溶液的浓度为3-12％，滴加时间为2-6h，双氧水溶液与壳聚糖溶液的体积比为1-2：10。

进一步的，步骤3)中通过添加碱调节pH值为7，所述碱为氢氧化钠、氨水、碳酸钠中的任一种或几种混合。

优选的，步骤4)中所述悬浮液中降解产物B的含量为1-3％。

优选的，步骤4)所述均质化处理采用均质机处理，处理压力为20000-45000psi，处理速度为30ml/min。

进一步的，步骤4)壳聚糖纳米纤维悬浮液的纤维直径为15-40nm，长度为200-1000nm。

本发明还提供了采用任一上述制备方法制备得到的壳聚糖纳米纤维悬浮液。

采用上述技术方案具有以下有益效果：

1、本发明制备得到的壳聚糖纳米纤维在水和/或乙醇中分散性极好，且十分稳定，室温下放置两个月后zeta电位仍高达32～36mV，无明显沉淀，能有效保证产品质量和使用质量。

2、本发明降解产物B中残留有双氧水，含有降解产物B的悬浮液在均质化处理过程中，利用双氧水降解与高压均质机均质的化学物理联合方法，在一定压力作用下，高压均质机均质阀中产生的空穴、湍流、撞击等作用极大增加了悬浮液中壳聚糖分子与双氧水降解所形成的自由基的接触速率，在达到均质纳米化的前提下，还进一步实现壳聚糖分子链的均一，同时利用高压均质加强体系内的传质效应，使体系高度均一化，从而得到尺度分布均匀的壳聚糖纳米纤维，提高了壳聚糖纳米纤维的产品质量，有效扩展了壳聚糖纳米纤维的应用范围。

3、本发明制备的壳聚糖纳米纤维产物纯净，不易引入其他杂质，故应用范围进一步得到扩展。如在壳聚糖纳米纤维悬浮液中加入一定量交联剂，冷冻干燥利用其枝状纤维可得到气凝胶，用于电容器与锂离子电池中；将制备得到的壳聚糖纳米纤维悬浮液进一步与其他材料复合制备支架材料增强其力学性能可用于组织工程、聚合物增强、膜材料等领域。

4、本发明制备方法，在≤60℃条件下加入壳聚糖溶解，能有效避免发生副反应，同时保证溶解效率；一边搅拌壳聚糖溶液，一边滴加浓度小于12％的双氧水进行降解，避免出现局部剧烈降解、局部无降解情况，有效保证壳聚糖均匀降解，提高壳聚糖纳米纤维质量；调节含有降解产物A的悬浮液pH值≮7，使得降解产物A尽量析出，有效提高了降解产物A的收率。

5、本发明制备方法操作简单，条件温和，所用的原料廉价易得，试剂危险性小，环保安全，成本低，可实现工业化，在生物医用和新能源材料领域极具应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例1壳聚糖纳米纤维的透射电镜图；

图2为本发明实施例2壳聚糖纳米纤维的透射电镜图。

具体实施方式

本发明中，使用的乙酸(工业纯，北京化工厂)，壳聚糖(浙江金壳药业有限公司)，双氧水(分析纯，30％过氧化氢，北京化工厂)，氢氧化钠(工业纯，北京化工厂)。

使用的设备或装置均为化工行业常见的设备或装置。

实施例1

1)配制100ml质量分数为1％的乙酸溶液，在50℃条件下，将1g分子量为50000、脱乙酰度90％的壳聚糖缓慢加入乙酸溶液中，持续搅拌至壳聚糖完全溶解，得到壳聚糖溶液；

2)配制10ml质量分数为6％的双氧水溶液，壳聚糖溶液搅拌条件下，滴加双氧水溶液，控制滴加时间在半小时以内，之后继续搅拌2h，然后静置，自然冷却至室温，得到含有降解产物A的悬浮液；

3)配制30ml浓度为1mol/L的氢氧化钠水溶液，将其缓慢滴加到步骤2)的悬浮液中，调节其pH至中性，抽滤收集滤饼，用去离子水将滤饼反复洗涤至中性，得到降解产物B；

4)将降解产物B分散在去离子水中，搅拌均匀，配制成浓度为2％的含有降解产物B的悬浮液，用高压微射流均质机在30000psi压力条件下均质处理五次，得到壳聚糖纳米纤维悬浮液，制得的壳聚糖纳米纤维如图1所示。

经申请人检测，得到的壳聚糖纳米纤维悬浮液中，壳聚糖纳米纤维直径为15～40nm，长度为200～1000nm，Zeta电位为40.92mV。在常温下放置2个月后，Zeta电位为36mV，具有长时间稳定分散性。

实施例2

1)配制100ml质量分数为3％的乙酸溶液，在55℃条件下，将1g分子量为100000、脱乙酰度95％的壳聚糖缓慢加入乙酸溶液中，持续搅拌至壳聚糖完全溶解，得到壳聚糖溶液；

2)配制10ml质量分数为3％的双氧水溶液，壳聚糖溶液搅拌条件下，滴加双氧水溶液，控制滴加时间在半小时以内，之后继续搅拌6h，然后静置，自然冷却至室温，得到含有降解产物A的悬浮液；

3)配制30ml浓度为2mol/L的氢氧化钠水溶液，将其缓慢滴加到步骤2)的悬浮液中，调节其pH至中性，抽滤收集滤饼，用去离子水将滤饼反复洗涤至中性，得到降解产物B；

4)将降解产物B分散在去离子水中，搅拌均匀，配制成浓度为2％的含有降解产物B的悬浮液，用高压微射流均质机在20000psi压力条件下均质处理七次，得到壳聚糖纳米纤维悬浮液，制得的壳聚糖纳米纤维如图2所示。

经申请人检测，得到的壳聚糖纳米纤维悬浮液中，壳聚糖纳米纤维直径为15～40nm，长度为200～1000nm，Zeta电位为36.23mV。在常温下放置2个月后，Zeta电位为34.03mV，具有长时间稳定分散性。

实施例3

1)配制100ml质量分数为5％的乙酸溶液，在40℃条件下，将3g分子量为200000、脱乙酰度80％的壳聚糖缓慢加入乙酸溶液中，持续搅拌至壳聚糖完全溶解，得到壳聚糖溶液；

2)配制10ml质量分数为6％的双氧水溶液，壳聚糖溶液搅拌条件下，滴加双氧水溶液，控制滴加时间在半小时以内，之后继续搅拌4h，然后静置，自然冷却至室温，得到含有降解产物A的悬浮液；

3)配制30ml浓度为3mol/L的氢氧化钠水溶液，将其缓慢滴加到步骤2)的悬浮液中，调节其pH至中性，抽滤收集滤饼，用去离子水将滤饼反复洗涤至中性，得到降解产物B；

4)将降解产物B分散在去离子水中，搅拌均匀，配制成浓度为2％的含有降解产物B的悬浮液，用高压微射流均质机在40000psi压力条件下均质处理三次，得到壳聚糖纳米纤维悬浮液。

经申请人检测，得到的壳聚糖纳米纤维悬浮液中，壳聚糖纳米纤维直径为15～40nm，长度为200～1000nm，Zeta电位为34.52mV。在常温下放置2个月后，Zeta电位为32mV，具有长时间稳定分散性。

实施例4

1)配制100ml质量分数为2％的乙酸溶液，在60℃条件下，将2g分子量为100000、脱乙酰度85％的壳聚糖缓慢加入乙酸溶液中，持续搅拌至壳聚糖完全溶解，得到壳聚糖溶液；

2)配制10ml质量分数为12％的双氧水溶液，壳聚糖溶液搅拌条件下，滴加双氧水溶液，控制滴加时间在半小时以内，之后继续搅拌2h，然后静置，自然冷却至室温，得到含有降解产物A的悬浮液；

3)配制30ml浓度为1mol/L的氢氧化钠水溶液，将其缓慢滴加到步骤2)的悬浮液中，调节其pH至中性，抽滤收集滤饼，用去离子水将滤饼反复洗涤至中性，得到降解产物B；

4)将降解产物B分散在去离子水中，搅拌均匀，配制成浓度为2％的含有降解产物B的悬浮液，用高压微射流均质机在30000psi压力条件下均质处理五次，得到壳聚糖纳米纤维悬浮液。

经申请人检测，得到的壳聚糖纳米纤维悬浮液中，壳聚糖纳米纤维直径为15～40nm，长度为200～1000nm，Zeta电位为35.79mV。在常温下放置2个月后，Zeta电位为34.72mV，具有长时间稳定分散性。

上述表征可以证明，通过本发明所提出的方法可以以壳聚糖为原料制备得到壳聚糖纳米纤维，为其进一步的应用奠定了良好的基础。

Claims (9)

1.一种壳聚糖纳米纤维的制备方法，其特征在于，具有以下步骤：

1)配制浓度为1-5wt％的酸溶液，加入壳聚糖，100体积份酸溶液中加入0.5-3重量份壳聚糖，在≤60℃条件下搅拌至溶解，得到壳聚糖溶液；

2)搅拌条件下，向步骤1)的壳聚糖溶液中滴加浓度≤12％的双氧水溶液，滴加时间为2-6h，双氧水溶液与壳聚糖溶液的体积比为1-2：10，冷却至室温，得到含有降解产物A的悬浮液；

3)调节步骤2)悬浮液的pH值＝7，抽滤，取滤饼，水洗，得到降解产物B；

4)将步骤3)得到的降解产物B加入去离子水和/或乙醇中，搅拌均匀形成含有降解产物B的悬浮液，悬浮液中降解产物B的含量为1-3wt％，在室温下经均质化处理，得到壳聚糖纳米纤维悬浮液。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述壳聚糖的分子量为50000-200000，脱乙酰度为80％-95％。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述酸溶液为乙酸溶液、甲酸溶液、己二酸溶液、苹果酸溶液中任一种或几种混合。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)在40-60℃条件下搅拌至溶解。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)双氧水溶液的浓度为3-12％。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中通过添加碱调节pH值为7，所述碱为氢氧化钠、氨水、碳酸钠中的任一种或几种混合。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4)所述均质化处理采用均质机处理，处理压力为20000-45000psi，处理速度为30mL/min 。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4)壳聚糖纳米纤维悬浮液的纤维直径为15-40nm，长度为200-1000nm。

9.采用权利要求1-8任一所述制备方法制备得到的壳聚糖纳米纤维悬浮液。

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