CN111394891A - 一种壳寡糖与聚酯复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种壳寡糖与聚酯复合材料的制备方法。通过向聚酯有机溶液中，添加少量聚酯不良溶剂的壳寡糖溶液实现二者物理共混，进而进行静电纺丝或流延成型。所述制备方法能有效解决壳寡糖在有机溶剂中难溶的问题，以一种较为简单的方式实现了壳寡糖缓释膜的制备。

Description

一种壳寡糖与聚酯复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于生物医用材料领域，具体涉及一种壳寡糖与聚酯复合材料的制备方法。

背景技术

壳聚糖是一种天然碱性多聚糖，通常存在于节肢动物及昆虫的外表壳以及真菌细胞壁中，具有良好的生物相容性和降解性，其降解产物能够抑制成纤维细胞的生长，减少瘢痕的形成，同时还能够促进血管化的发生，增强机体免疫，从而被广泛应用于生物材料中。而壳寡糖是由壳聚糖在复杂化学环境下降解或是酶解制得，单体聚合度通常在2-10之间，分子量小于5000，与壳聚糖相比具有良好的水溶性，机体对壳寡糖的吸收能力也要远强于壳聚糖。此外，多项研究表明，壳寡糖可显著激活巨噬细胞，增强机体免疫能力，还能对通过抑制MAPK家族基因及NF-κB基因起到抗炎的作用，因此通过添加壳寡糖构建生物医用材料已被广泛认可。

由于壳寡糖极易溶于水与甲酸等少量溶剂体系，基本不溶于其他常见有机溶剂，导致壳寡糖复合膜成型多以水溶液体系为主，可与PVA(聚乙烯醇)、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)、明胶或PEO(聚氧化乙烯)复合成型，而较难与水亲和性较差的聚酯类材料进行复合。PEO与PVP本身就为水溶性材料，故由此法构建的材料在含水环境下不甚稳定，难以满足体内植入的需求。PVA材料的水溶解度与其醇解度有关，高溶解度PVA存在于PVP及PEO同样的问题，而低溶解度PVA体内不降解，无法实现可降解生物材料的设计，且PVA本身为三类致癌物，以其为材料构建支架存在一定风险。当加入明胶时，材料力学性能及降解速度难以控制。因此，上述复合材料均不是理想的体内植入材料。有少量论文显示，可通过将壳寡糖制成纳米粒子后分散在有机溶液体系中与聚酯类共混成型，但是这种方法需预先制备纳米粒子，工艺较为复杂，且所得纳米粒子并未溶解在溶剂中，所得铸膜液稳定性及成型后纳米粒子团聚程度均有待考究。目前对将壳寡糖与聚酯类直接共混静电纺丝成型的工艺的研究仍较少，本发明极大简化了这两种难混溶材料的成型工艺，避免了同轴静电纺丝、壳寡糖亲有机改性或是预制纳米粒子等复杂流程，增强了壳聚糖聚酯类混纺的可操作性及工艺稳定性。

发明内容

针对壳寡糖难以与聚酯类复合这一问题，本发明通过测试多种溶剂体系及溶解方式，确定了先以少量水或甲酸作为壳寡糖溶剂溶解壳寡糖，再以大量聚酯类溶液进行稀释的溶解体系，可以实现二者的混溶并易于进行加工成型。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种壳寡糖与聚酯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)分别配置壳寡糖或壳寡糖衍生物溶液以及聚酯溶液；

2)将两种溶液混合，搅拌均匀后利用超声波除泡，所得混合溶液中聚酯溶液所用的溶剂占溶剂总含量不低于60％，优选90％以上，更加优选94％以上，通过向聚酯溶液中加入少量壳寡糖高浓度溶液，构建均一的壳寡糖聚酯混合溶液；

3)利用所得溶液进行静电纺丝或是流延成型，成型后的薄膜置于真空环境下或是浸泡溶液中以除去残留溶剂，得到壳寡糖与聚酯的复合材料。

优选地，所述壳寡糖或壳寡糖衍生物溶液以水、甲酸、甲醇中的一种或多种为溶剂，浓度为0～0.5g/ml，更加优选地为0.1～0.5g/ml；聚酯溶液以三氟乙酸，六氟异丙醇，二硫亚砜，乙酸，乙醇，三氟乙醇，三氯化碳，二甲基甲酰胺，二甲基乙酰胺，1,4-二氧六环，四氢呋喃，乙酸乙酯，丙酮，吡啶，乙腈中的一种或多种的混合液为溶剂，浓度为0～0.4g/ml。

更加优选地，配置聚酯溶液采用的溶剂中：三氟乙酸，六氟异丙醇，二硫亚砜，乙酸，乙醇，三氟乙醇的总含量不低于80％，相对于三氯化碳，二甲基甲酰胺，二甲基乙酰胺，1,4-二氧六环，四氢呋喃，乙酸乙酯，丙酮，吡啶，乙腈，前者对聚酯的溶解作用更好。

优选地，步骤2)将两种溶液混合时，采用将壳寡糖或壳寡糖衍生物溶液逐渐加到聚酯溶液中的方式。

优选地，步骤2)所得混合溶液中，聚酯含量为0～30wt％，壳寡糖含量为0～10wt％。

优选地，步骤1)所述壳寡糖衍生物包括磺化壳寡糖、小分子改性壳寡糖、多肽改性壳寡糖；所述聚酯包括聚己内酯，聚乙交酯，聚丙交酯，聚乙丙交酯，聚酯类-聚乙二醇共聚物。

优选地，步骤1)配制聚酯溶液的过程中加入助纺剂以改善纺丝形态，所述助纺剂包括聚氧化乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、壳聚糖中的一种或几种的混合物，所述助纺剂在所述聚酯溶液中的含量为0～20％wt。

优选地，步骤3)中静电纺丝所采用的纺丝机包括共轭纺丝机，立式纺丝机，水平纺丝机，取向接收纺丝机。

优选地，步骤3)中纺丝条件：正电压8～30kV,负电压0～6kV；推注速度0.02～0.5mm/min；纺丝时间：0～3d。

优选地，步骤3)中真空环境可由真空干燥箱、冷阱、冷冻干燥器达到，溶剂挥发温度低于聚酯和壳寡糖的融化温度。

优选地，步骤3)中浸泡溶液包括乙醇、水、甲醇，异丙醇中一种或多种的混合。

本发明的另一目的是提供一种壳寡糖与聚酯的复合材料，采用上述的方法制备得到。

常见聚酯类难溶于水溶剂体系，壳寡糖及其衍生物在有机溶剂中的溶解性要远低于壳聚糖，在大多数有机溶剂中几乎不溶，常规的聚酯类溶剂如三氟乙酸或六氟异丙醇溶剂完全无法溶解壳寡糖，因此二者复合极难得到均一的体系。由于水及甲酸可有效破坏壳寡糖分子之间的氢键，故仅需少量溶剂就可实现壳寡糖的溶解，本申请将高浓度的壳寡糖均一溶液与大量聚酯类溶液混合均匀，进行成型。少量的水或甲酸、甲醇并不会破坏聚酯类溶液的均一性，而溶解后的壳寡糖在加入到聚酯类溶液中也并未发生析出。甚至来说，利用甲酸作为壳寡糖溶剂可实现无水体系下壳寡糖与聚酯类的混合静电纺丝。此外，为改善纺丝液可纺性及亲水性，还可向其内加入少量纺丝助剂，增强工艺稳定性。通过静电纺丝或是流延成型构建薄膜后，在低气压环境下对薄膜进行除溶剂处理，或是将其至于溶液中浸泡，除去有毒溶剂。

本发明的有益效果为：

1)在无需对壳寡糖进行特殊处理的情况下，利用多溶剂共混实现壳寡糖与聚酯类材料以及多种助纺剂的混溶，构建了一种较为实用的纺丝液或铸膜液；

2)利用普通静电纺丝法实现了含壳寡糖及聚酯类纳米纤维膜的制备，避免了同轴纺丝法或其他复杂纺丝方法的引入，简化了生产工艺；

3)利用溶剂浸泡或真空干燥的方式对纺丝膜内部残存溶剂进行了有效清除，保证了材料的生物相容性；

4)本发明制备的含壳寡糖聚酯类纳米纤维膜在维持薄膜稳定性及可降解性的情况下，以较简单的工艺实现了壳寡糖的负载及缓释。

附图说明

图1为实施例10所得电纺纤维膜的SEM图，放大倍数为5Kx；

图2为实施例11所得电纺纤维膜的SEM图，放大倍数为2Kx。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。以下实施例如无具体说明，采用的试剂均为市售化学试剂或工业产品。

首先配置壳寡糖与聚酯类的混合溶液

实施例1

1)溶液配制：将2g PCL加入到10ml三氟乙酸中，搅拌6h使其完全溶解。将0.02g壳寡糖溶解到200μl去离子水中，搅拌均匀。

2)搅拌及除泡：向PCL溶液中加入200μl壳寡糖溶液，搅拌30min后转移至超声分散机中超声处理10min除泡。

实施例2

1)溶液配制：将1g PCL及0.2g壳聚糖加入到10ml三氟乙酸中，搅拌6h使其完全溶解。将0.05g壳寡糖溶解到100μl去离子水中，搅拌均匀。

2)搅拌及除泡：向PCL溶液中加入100μl壳寡糖溶液，搅拌30min后转移至超声分散机中超声处理10min除泡。

实施例3

1)溶液配制：将1g PCL加入到10ml六氟异丙醇中，搅拌6h使其完全溶解。将0.05g壳寡糖溶解到200μl甲酸中，搅拌均匀。

2)搅拌及除泡：向PCL溶液中加入200μl壳寡糖溶液，搅拌30min后转移至超声分散机中超声处理10min除泡。

实施例4

1)溶液配制：将1.4g PCL与0.6g PVA加入到10ml三氟乙醇中，搅拌6h使其完全溶解。将0.02g壳寡糖溶解到200μl去离子水中，搅拌均匀。

2)搅拌及除泡：向PCL溶液中加入200μl壳寡糖溶液，搅拌30min后转移至超声分散机中超声处理10min除泡。

实施例5

1)溶液配制：将2g PCL及0.6g PEO加入到10ml六氟异丙醇中，搅拌6h使其完全溶解。将0.1g壳寡糖溶解到500μl去离子水中，搅拌均匀。

2)搅拌及除泡：向PCL溶液中加入500μl壳寡糖溶液，搅拌30min后转移至超声分散机中超声处理10min除泡。

实施例6

1)溶液配制：将1g PCL及0.2g壳聚糖加入到10ml三氟乙酸中，搅拌6h使其完全溶解。将0.05g壳寡糖溶解到400μl去离子水中，搅拌均匀。

2)搅拌及除泡：向PCL溶液中加入4ml壳寡糖溶液，搅拌30min后转移至超声分散机中超声处理10min除泡。

实施例7

1)溶液配制：将1g PCL加入到12ml甲酸中，搅拌6h使其完全溶解。将0.2g壳寡糖溶解到1ml甲酸中，搅拌均匀。

2)搅拌及除泡：向PCL溶液中加入1ml壳寡糖溶液，搅拌30min后转移至超声分散机中超声处理10min除泡。

实施例8

1)溶液配制：将1g PCL及0.2g壳聚糖加入到10ml三氟乙酸中，搅拌6h使其完全溶解。将0.05g壳寡糖溶解到1ml去离子水中，搅拌均匀。

2)搅拌及除泡：向PCL溶液中加入1ml壳寡糖溶液，搅拌30min后转移至超声分散机中超声处理10min除泡。

实施例9

1)溶液配制：将1g PCL加入到5ml三氟乙酸中，搅拌6h使其完全溶解。将0.2g壳寡糖溶解到3.5ml去离子水中，搅拌均匀。

2)搅拌及除泡：向PCL溶液中加入3.5ml壳寡糖溶液，搅拌30min后转移至超声分散机中超声处理10min除泡。

实施例1～8中PCL溶液均能与壳寡糖溶液形成均一的共混溶液，无PCL或壳寡糖析出，其中以实施例2共混效果最好。实施例9两种溶液混合后三氟乙酸溶液中出现白色絮状物，且溶液粘度大幅下降，无法满足纺丝需求。主要是PCL不溶于水中，水含量过高会导致PCL重新析出，共混失败。

对实施例1～8所得共混溶液进行水解稳定性试验，实施例1～7所得共混溶液均能够在两天内保持黏度基本不变，实施例8所得共混溶液均在放置不超过12小时后出现明显的黏度下降。主要原因是PCL在含水的酸性环境下存在降解，当含水量达到10％时，PCL的降解速度显著加快，因此体系中水和甲酸的含量在能溶解壳寡糖的情况下应尽量降低。

对比例1

将10ml三氟乙酸于100μl去离子水共混作为溶剂，一次性加入1g PCL、0.2g壳聚糖及0.05g壳寡糖，长时间搅拌，无法完全溶解。

利用所得混合溶液进行静电纺丝成型

实施例10～17

分别以实施例1～8所得共混溶液为纺丝液，在工艺参数：纺丝电压：12kV/-2kV，接收距离：16～20cm，推速：0.03～0.05mm/min的条件下进行静电纺丝，常规接收纳米纤维，时长1～6h。将所得薄膜在无水乙醇中浸泡6h或在真空干燥箱中处理12h后取出自然晾干，得到纤维膜。

通过扫描电镜(SEM)观察实施例10、11制得的纤维膜：将所述电纺纤维膜表面进行喷金处理，然后通过日立生产的S-4800型扫描电镜(SEM)观察电纺纤维膜的表面形貌，结果分别如图1、2所示，由图可知，实施例10所得样品显微结构呈杂乱长纤维松散堆积状，但表层纤维存在一定缠结，造成这一现象主要原因为纺丝液粘度过低或挥发速度较慢。这种程度的缠结会对纤维力学性能及生物相容性造成一定影响，但影响较轻，处于可接受范围。实施例11所得样品显微结构呈杂乱长纤维松散堆积状，纤维间无明显缠结，纤维直径分布于100-500nm，边缘清晰，表面形貌良好。

对实施例12所得纤维膜进行模拟体内降解实验：

将上述材料分为三份，以0.1g/10ml置于PBS(pH＝7.39)溶液中，分别浸泡30min，3d，15d。测试pH结果如下：30min：7.26；3d：7.24；15d：7.14，显示出良好的体内稳定性。

实施例16在纺丝过程中由于纯甲酸沸点较高，挥发速度较慢，纺丝过程中易产生大量液滴。随着纺丝的进行，PCL有在甲酸中降解的趋势，且纺丝产物酸性较强，甲酸挥发不完全，存在一定细胞毒性。因此，未选择纯甲酸作为聚酯类溶剂，聚酯类溶剂应具有沸点较低，易于静电纺丝，且不易导致壳寡糖析出的特性。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种壳寡糖与聚酯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)分别配置壳寡糖或壳寡糖衍生物溶液以及聚酯溶液；

2)将两种溶液混合，搅拌均匀后利用超声波除泡，所得混合溶液中聚酯溶液所用的溶剂占溶剂总含量不低于60％；

3)利用所得溶液进行静电纺丝或是流延成型，成型后的薄膜置于真空环境下或是浸泡溶液中以除去残留溶剂，得到壳寡糖与聚酯的复合材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，壳寡糖或壳寡糖衍生物溶液以水、甲酸、甲醇中的一种或多种为溶剂，浓度为0～0.5g/ml；聚酯溶液以三氟乙酸，六氟异丙醇，二硫亚砜，乙酸，乙醇，三氟乙醇，三氯化碳，二甲基甲酰胺，二甲基乙酰胺，1,4-二氧六环，四氢呋喃，乙酸乙酯，丙酮，吡啶，乙腈中的一种或多种的混合液为溶剂，浓度为0～0.4g/ml。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)将两种溶液混合时，采用将壳寡糖或壳寡糖衍生物溶液逐渐加到聚酯溶液中的方式。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)所得混合溶液中，聚酯含量为0～30wt％，壳寡糖含量为0～10wt％。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述壳寡糖衍生物包括磺化壳寡糖、小分子改性壳寡糖、多肽改性壳寡糖；所述聚酯包括聚己内酯，聚乙交酯，聚丙交酯，聚乙丙交酯，聚酯类-聚乙二醇共聚物。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)配制聚酯溶液的过程中加入助纺剂以改善纺丝形态，所述助纺剂包括聚氧化乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、壳聚糖中的一种或几种的混合物，所述助纺剂在所述聚酯溶液中的含量为0～20％wt。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中静电纺丝所采用的纺丝机包括共轭纺丝机，立式纺丝机，水平纺丝机，取向接收纺丝机；纺丝条件：正电压8～30kV,负电压0～6kV；推注速度0.02～0.5mm/min；纺丝时间：0～3d。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中真空环境可由真空干燥箱、冷阱、冷冻干燥器达到，溶剂挥发温度低于聚酯和壳寡糖的融化温度。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中浸泡溶液包括乙醇、水、甲醇，异丙醇中一种或多种的混合。

10.一种壳寡糖与聚酯的复合材料，其特征在于，采用权利要求1～9任一项所述的方法制备得到。

Images