CN110318160A - 一种壳聚糖衍生物纳米纤维膜伤口敷料的制备方法和应用 - Google Patents

一种壳聚糖衍生物纳米纤维膜伤口敷料的制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

一种壳聚糖衍生物纳米纤维膜伤口敷料的制备方法和应用，其属于材料技术领域。该方法包括以下步骤：将脂肪酸与N‑羟基琥珀酰亚胺反应制备出FA‑NHS，将纳米二氧化钛、硫酸铜、柠檬酸添加到无水甲酸中，采用超声波分散，配制成无水甲酸分散液；将壳聚糖溶解其中，配制成壳聚糖无水甲酸溶液；将聚乙烯醇无水甲酸溶液与壳聚糖无水甲酸溶液以一定比例混合，将FA‑NHS添加到混合甲酸溶液中配制成壳聚糖FA‑NHS静电纺丝液，过滤、抽真空脱泡后进行静电纺丝，得到具有蓄热调温功能的CS‑g‑FA‑NHS纳米纤维膜。该纳米纤维膜对人体和环境安全无毒，具有良好的可生物降解性和生物活性，具有促进细胞生长的作用，在医用创面敷料领域具有良好的应用前景。

Description

一种壳聚糖衍生物纳米纤维膜伤口敷料的制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种壳聚糖衍生物纳米纤维膜伤口敷料的制备方法和应用，属于材料科学领域。
背景技术
医用敷料在应用时与人体密切接触，人体的生命活动需要一个恒温的条件，温度过高或过低都会影响人体的生命活动。具有蓄热调温功能的医用材料可以在环境温度升高时吸热，在环境温度降低时放热，从而维持一个恒定的温度，促进人体组织的再生和伤口的痊愈。
壳聚糖是自然界唯一的天然碱性多糖，具有良好的抗菌性，且其还具有良好的生物相容性及可生物降解性，壳聚糖纳米纤维膜在医学工程领域具有良好的应用前景。壳聚糖的原料甲壳素目前在自然界中贮量仅次于纤维素，资源十分丰富。
壳聚糖本身没有蓄热调温功能，但壳聚糖可以通过侧基上的氨基与脂肪酸N-羟基琥珀酰亚胺酯相结合，生成壳聚糖-g-脂肪酸N-羟基琥珀酰亚胺酯接枝聚合物，由于脂肪烃侧链具有局部结晶性，可以在环境温度降低时形成折叠链片晶放热，而在环境温度升高时，片晶解体而吸热，从而起到蓄热调温的作用，同时保持纤维的形态稳定。
发明内容
为解决上述问题，制备出具有蓄热调温功能的CS-g-FA-NHS纳米纤维膜伤口敷料，本发明提供一种CS-g-FA-NHS纳米纤维膜伤口敷料的静电纺丝方法，在配制壳聚糖纺丝液时，将脂肪酸N-羟基琥珀酰亚胺酯添加进去，通过静电纺丝生成纳米纤维膜之后，再在真空条件下使纤维中的脂肪酸N-羟基琥珀酰亚胺酯进一步与壳聚糖大分子链发生化学反应，使具有相变功能的脂肪链与壳聚糖大分子链通过共价键连接。
通过脂肪酸与N-羟基琥珀酰亚胺酯反应，生成脂肪酸N-羟基琥珀酰亚胺酯，再与壳聚糖共混静电纺丝，后期通过抽真空加热的方法使壳聚糖与脂肪酸N-羟基琥珀酰亚胺酯发生接枝反应，通过引入N-羟基琥珀酰亚胺基团可以增加接枝反应效率；脂肪酸与N-羟基琥珀酰亚胺化学反应式1，如下：
静电纺丝是制备纳米纤维的有效方法，但壳聚糖在高压作用下，聚合物内部离子基团的排斥力增加，聚合物难以从针头处喷射出来，所以静电纺丝难度大，通过与聚乙烯醇共混、同时在纺丝液中添加铜离子的方法，来提高壳聚糖静电纺丝性能，从而制备出具有蓄热调温功能的壳聚糖衍生物纳米纤维膜伤口敷料。
为了顺利实现壳聚糖溶液的静电纺丝，本发明采用无水甲酸为溶剂，相比于壳聚糖静电纺丝常用的三氟乙酸溶剂，无水甲酸具有价格低廉的优势。同时为了提高壳聚糖溶液的静电纺丝性能，本发明在纺丝液中加入一定比例的聚乙烯醇和铜离子，聚乙烯醇也是一种医用材料，不会影响CS-g-FA-NHS纳米纤维膜的生物安全性，而铜离子也有助于改善壳聚糖静电纺丝性能，并能增强CS-g-FA-NHS纳米纤维膜的抗菌功能。
所述CS-g-FA-NHS纳米纤维膜的制备方法包括如下步骤，
步骤一：将脂肪酸（FA）与N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）以1:1的摩尔比分别加入到二甲基甲酰胺（DMF）中，FA与DMF的摩尔比为1:10，先在0℃的冰浴中搅拌反应2小时，再在室温下搅拌反应6小时，反应结束后将DMF蒸馏去除，得到脂肪酸N-羟基琥珀酰亚胺酯（FA-NHS）。
步骤二：将纳米二氧化钛、硫酸铜、柠檬酸添加到无水甲酸中，采用超声波分散，配制成纳米二氧化钛和硫酸铜质量百分比均为0.05%，柠檬酸的质量百分比为0.5%的无水甲酸分散液；
步骤三：将壳聚糖溶解在由上述步骤二所配制的甲酸分散液中，配制成质量百分比浓度为5%的壳聚糖无水甲酸溶液；
步骤四：将FA-NHS以质量百分比浓度为1%~3%的比例添加到由步骤三所配制的溶液中，充分搅拌，使之混合均匀；
步骤五：配制质量百分比浓度为10%的聚乙烯醇无水甲酸溶液；
步骤六：将上述由步骤四所配制的壳聚糖FA-NHS无水甲酸溶液和上述由步骤五配制的聚乙烯醇无水甲酸溶液按质量比为10:1~5:1的比例混合均匀；
步骤七：对由上述步骤六得到的共混溶液进行过滤、抽真空脱泡；
步骤八：在电压为15KV ~30KV，喷丝口到收集板的距离为 8 cm ~20 cm，微量泵流速为0.1mL/h ~0.3mL/h的条件下进行静电纺丝；
步骤九：将由上述步骤八制备的壳聚糖FA-NHS纳米纤维膜在压力小于103Pa的真空条件下90℃加热3分钟。
进一步地，在上述技术方案中，所述脂肪酸包括油酸、葵酸、月桂酸、硬脂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸。
本发明另外提供一种上述制备方法得到的CS-g-FA-NHS纳米纤维膜在伤口敷料领域中的应用。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种CS-g-FA-NHS纳米纤维膜制备方法，所制备的CS-g-FA-NHS纳米纤维膜具有调温特性、调温温度可由脂肪酸的碳链长度进行调节，相变温度在16.8℃到60℃之间分布，相变热焓值最高可达30 J/g。与单纯枝接脂肪酸的壳聚糖相比，枝接脂肪酸N-羟基琥珀酰亚胺酯可以使壳聚糖衍生物纳米纤维膜伤口敷料对水获得形态稳定性。本发明所制备的CS-g-FA-NHS纳米纤维膜对人体和环境安全无毒，具有良好的可生物降解性和生物活性，具有促进细胞生长的作用，在医用材料领域具有良好的应用前景。
具体实施方式
下面结合下述实施例对本发明做进一步说明，下述实施例不以任何方式限制本发明。下述实施例和对比例中对CS-g-FA-NHS纳米纤维膜性能的测试方法和条件等均相同。
实施例1
步骤一：将油酸与N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）以1:1的摩尔比分别加入到二甲基甲酰胺（DMF）中，FA与DMF的摩尔比为1:10，先在0℃的冰浴中搅拌反应2小时，再在室温下搅拌反应6小时，反应结束后将DMF蒸馏去除，得到油酸N-羟基琥珀酰亚胺酯。
步骤二：将纳米二氧化钛、硫酸铜、柠檬酸添加到无水甲酸中，采用超声波分散，配制成纳米二氧化钛和硫酸铜质量百分比均为0.05%，柠檬酸的质量百分比为0.5%的无水甲酸分散液；
步骤三：将壳聚糖溶解在由上述步骤二所配制的甲酸分散液中，配制成质量百分比浓度为5%的壳聚糖无水甲酸溶液；
步骤四：将油酸N-羟基琥珀酰亚胺酯以质量百分比浓度为1%的比例添加到由步骤三所配制的溶液中，充分搅拌，使之混合均匀；
步骤五：配制质量百分比浓度为10%的聚乙烯醇无水甲酸溶液；
步骤六：将上述由步骤四所配制的溶液和上述由步骤五配制的聚乙烯醇无水甲酸溶液按质量比为5:1的比例混合均匀；
步骤七：对由上述步骤六得到的共混溶液进行过滤、抽真空脱泡；
步骤八：在电压为20 KV，喷丝口到收集板的距离为 8 cm，微量泵流速为0.1mL/h的条件下进行静电纺丝；
步骤九：将由上述步骤八制备的壳聚糖FA-NHS纳米纤维膜在压力小于103Pa的真空条件下90℃加热3分钟。
采用电子扫描显微镜拍摄壳聚糖油酸纳米纤维膜1万倍放大照片，采用图像分析软件测量纤维的平均直径为197 nm, 采用差示扫描量热仪测试纳米纤维膜的蓄热调温性能，升温吸热峰温度为-4.4℃，热焓值为5.1 J/g，降温放热峰温度为1.9℃，热焓值为4.5J/g。将纳米纤维膜浸泡在蒸馏水中1h后，纤维形态无明显变化。
实施例2
步骤一：将月桂酸与N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）以1:1的摩尔比分别加入到二甲基甲酰胺（DMF）中，FA与DMF的摩尔比为1:10，先在0℃的冰浴中搅拌反应2小时，再在室温下搅拌反应6小时，反应结束后将DMF蒸馏去除，得到月桂酸N-羟基琥珀酰亚胺酯。
步骤二：将纳米二氧化钛、硫酸铜、柠檬酸添加到无水甲酸中，采用超声波分散，配制成纳米二氧化钛和硫酸铜质量百分比均为0.05%，柠檬酸的质量百分比为0.5%的无水甲酸分散液；
步骤三：将壳聚糖溶解在由上述步骤二所配制的甲酸分散液中，配制成质量百分比浓度为5%的壳聚糖无水甲酸溶液；
步骤四：将月桂酸N-羟基琥珀酰亚胺酯以质量百分比浓度为2%的比例添加到由步骤三所配制的溶液中，充分搅拌，使之混合均匀；
步骤五：配制质量百分比浓度为10%的聚乙烯醇无水甲酸溶液；
步骤六：将上述由步骤四所配制的溶液和上述由步骤五配制的聚乙烯醇无水甲酸溶液按质量比为8:1的比例混合均匀；
步骤七：对由上述步骤六得到的共混溶液进行过滤、抽真空脱泡；
步骤八：在电压为30KV，喷丝口到收集板的距离为 10 cm，微量泵流速为0.2mL/h的条件下进行静电纺丝；
步骤九：将由上述步骤八制备的壳聚糖FA-NHS纳米纤维膜在压力小于103Pa的真空条件下90℃加热3分钟。
采用电子扫描显微镜拍摄壳聚糖月桂酸纳米纤维膜1万倍放大照片，采用图像分析软件测量纤维的平均直径为165 nm, 采用差示扫描量热仪测试纳米纤维膜的蓄热调温性能，升温吸热峰温度为46.9℃ ，热焓值为29.3J/g，降温放热峰温度为38.1℃，热焓值为25.8J/g。将纳米纤维膜浸泡在蒸馏水中1h后，纤维形态无明显变化。
实施例3
步骤一：将硬脂酸与N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）以1:1的摩尔比分别加入到二甲基甲酰胺（DMF）中，FA与DMF的摩尔比为1:10，先在0℃的冰浴中搅拌反应2小时，再在室温下搅拌反应6小时，反应结束后将DMF蒸馏去除，得到硬脂酸N-羟基琥珀酰亚胺酯。
步骤二：将纳米二氧化钛、硫酸铜、柠檬酸添加到无水甲酸中，采用超声波分散，配制成纳米二氧化钛和硫酸铜质量百分比均为0.05%，柠檬酸的质量百分比为0.5%的无水甲酸分散液；
步骤三：将壳聚糖溶解在由上述步骤二所配制的甲酸分散液中，配制成质量百分比浓度为5%的壳聚糖无水甲酸溶液；
步骤四：将硬脂酸N-羟基琥珀酰亚胺酯以质量百分比浓度为3%的比例添加到由步骤三所配制的溶液中，充分搅拌，使之混合均匀；
步骤五：配制质量百分比浓度为10%的聚乙烯醇无水甲酸溶液；
步骤六：将上述由步骤四所配制的溶液和上述由步骤五配制的聚乙烯醇无水甲酸溶液按质量比为10:1的比例混合均匀；
步骤七：对由上述步骤六得到的共混溶液进行过滤、抽真空脱泡；
步骤八：在电压为40KV，喷丝口到收集板的距离为 20 cm，微量泵流速为0.3mL/h的条件下进行静电纺丝；
步骤九：将由上述步骤八制备的纳米纤维膜在压力小于103Pa的真空条件下90℃加热3分钟。
采用电子扫描显微镜拍摄壳聚糖硬脂酸N-羟基琥珀酰亚胺酯纳米纤维膜1万倍放大照片，采用图像分析软件测量纤维的平均直径为164 nm, 采用差示扫描量热仪测试纳米纤维膜的蓄热调温性能，升温吸热峰温度为60.5℃ ，热焓值为19.2J/g，降温放热峰温度为47.1℃，热焓值为12.7J/g。将纳米纤维膜浸泡在蒸馏水中1h后，纤维形态无明显变化。
对比例1
执行实施例1中步骤二到步骤三及步骤五到步骤九，仅不执行实施例1中步骤一和步骤四。
采用电子扫描显微镜拍摄壳聚糖油酸N-羟基琥珀酰亚胺酯纳米纤维膜1万倍放大照片，采用图像分析软件测量纤维的平均直径为163 nm, 采用差示扫描量热仪测试纳米纤维膜的蓄热调温性能，升温过程中未出现吸热峰，降温过程中未出现放热峰。将纳米纤维膜浸泡在蒸馏水中1h后，纤维形态无明显变化。
实施例1和对比例1的纳米纤维膜伤口敷料性能相比较，说明实施例1的方法可以使壳聚糖衍生物纳米纤维膜伤口敷料获得蓄热调温功能。
对比例2
执行实施例1中步骤二到步骤三及步骤五到步骤九，仅不执行步骤一和步骤四。
采用电子扫描显微镜拍摄壳聚糖月桂酸纳米纤维膜1万倍放大照片，采用图像分析软件测量纤维的平均直径为195nm, 采用差示扫描量热仪测试纳米纤维膜的蓄热调温性能，升温过程中未出现吸热峰，降温过程中未出现放热峰。将纳米纤维膜浸泡在蒸馏水中1h后，纤维形态无明显变化。
实施例2和对比例2的纳米纤维膜伤口敷料性能相比较，说明实施例2的方法可以使壳聚糖衍生物纳米纤维膜伤口敷料获得蓄热调温功能。
对比例3
步骤一：将纳米二氧化钛、硫酸铜添加到无水甲酸中，采用超声波分散，配制成纳米二氧化钛和硫酸铜质量百分比均为0.05%的无水甲酸分散液；
步骤二：将壳聚糖溶解在由上述步骤二所配制的甲酸分散液中，配制成质量百分比浓度为5%的壳聚糖无水甲酸溶液；
步骤三：将硬脂酸以质量百分比浓度为3%的比例添加到由步骤三所配制的溶液中，充分搅拌，使之混合均匀；
步骤四：配制质量百分比浓度为10%的聚乙烯醇无水甲酸溶液；
步骤五：将上述由步骤四所配制的溶液和上述由步骤五配制的聚乙烯醇无水甲酸溶液按质量比为10:1的比例混合均匀；
步骤六：对由上述步骤六得到的共混溶液进行过滤、抽真空脱泡；
步骤七：在电压为40KV，喷丝口到收集板的距离为 40 cm，微量泵流速为0.3mL/h的条件下进行静电纺丝；
采用电子扫描显微镜拍摄壳聚糖硬脂酸纳米纤维膜1万倍放大照片，采用图像分析软件测量纤维的平均直径为172nm, 采用差示扫描量热仪测试纳米纤维膜的蓄热调温性能，升温吸热峰温度为60.3℃ ，热焓值为23.5J/g，降温放热峰温度为47.4℃，热焓值为15.1J/g。将纳米纤维膜浸泡在蒸馏水中1h后，部分纳米纤维相互粘连，纤维直径膨胀。
实施例3和对比例3的纳米纤维膜伤口敷料性能相比较，说明实施例3的方法可以使壳聚糖衍生物纳米纤维膜伤口敷料对水获得形态稳定性。

Claims (4)

1.一种壳聚糖衍生物纳米纤维膜，其特征在于：所述壳聚糖衍生物是壳聚糖接枝脂肪酸N-羟基琥珀酰亚胺酯聚合物；所述脂肪酸N-羟基琥珀酰亚胺酯与壳聚糖的质量比为1-3:5，所述壳聚糖衍生物纳米纤维膜伤口敷料是通过静电纺丝法制备的。
2.根据权利要求1所述的一种壳聚糖衍生物纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一：将脂肪酸与N-羟基琥珀酰亚胺以1:1的摩尔比分别加入到二甲基甲酰胺中，脂肪酸与二甲基甲酰胺的摩尔比为1:10，先在0℃的冰浴中搅拌反应2小时，再在室温下搅拌反应6小时，反应结束后将二甲基甲酰胺蒸馏去除，得到脂肪酸N-羟基琥珀酰亚胺酯；
步骤二：将纳米二氧化钛、硫酸铜、柠檬酸添加到无水甲酸中，采用超声波分散，配制成纳米二氧化钛和硫酸铜质量百分比均为0.05%，柠檬酸的质量百分比为0.5%的无水甲酸分散液；
步骤三：将壳聚糖溶解在由上述步骤二所配制的无水甲酸分散液中，配制成质量百分比浓度为5%的壳聚糖无水甲酸溶液；
步骤四：将脂肪酸N-羟基琥珀酰亚胺酯以质量百分比浓度为1%~3%的比例添加到由步骤三所配制的溶液中，充分搅拌，使之混合均匀，得到壳聚糖-脂肪酸N-羟基琥珀酰亚胺酯无水甲酸溶液；
步骤五：配制质量百分比浓度为10%的聚乙烯醇无水甲酸溶液；
步骤六：将上述由步骤四所配制的壳聚糖-脂肪酸N-羟基琥珀酰亚胺酯无水甲酸溶液和上述由步骤五配制的聚乙烯醇无水甲酸溶液按质量比为10:1~5:1的比例混合均匀；
步骤七：对由上述步骤六得到的共混溶液进行过滤、抽真空脱泡；
步骤八：在电压为15KV ~30KV，喷丝口到收集板的距离为 8 cm ~20 cm，微量泵流速为0.1mL/h ~0.3mL/h的条件下进行静电纺丝；
步骤九：将由上述步骤八制备的壳聚糖-脂肪酸N-羟基琥珀酰亚胺酯纳米纤维膜在压力小于103Pa的真空条件下90℃加热3分钟，即得。
3.根据权利要求2所述的一种壳聚糖衍生物纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述脂肪酸包括油酸、葵酸、月桂酸、硬脂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸。
4.根据权利要求1所述的一种壳聚糖衍生物纳米纤维膜的应用，其特征在于：所述壳聚糖衍生物纳米纤维膜应用于创面敷料领域中。
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