CN112358644A - 一种复合气凝胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种复合气凝胶，其特征在于，复合气凝胶的重量组分为100，包括:纤维素纳米晶体占重量组分范围为12.5‑33.3、纤维素纳米纤维占重量组份范围为33.3－75及大鲵皮肤黏液冻干粉占重量组分范围为12.5‑33.3。本发明还提供一种复合气凝胶的制备方法，其特征在于，其步骤包括:提供大鲵皮肤黏液冻干粉(SSAD)、将大鲵皮肤黏液冻干粉加入纤维素纳米晶体悬浮液以形成第一混合溶液、对第一混合溶液进行超声振荡处理，以得到第二混合溶液、将第二混合溶液与纤维素纳米纤维悬浮液混合以得到第三混合溶液以及将第三混合溶液进行冷冻，并进行冷冻干燥以得到复合气凝胶。
Description
技术领域
本发明是涉及一种生物医药技术领域，特别是有关于一种可做为止血海绵的复合气凝胶及其制备方法。
背景技术
纤维素是自然界中储量最为丰富的一种天然生物质高分子。纤维素主要存在于植物细胞细胞壁的次生壁中，比如木材、竹材、稻麦草、棉花等生物质中。纤维素是结构性生物大分子经由分子链连接，形成具有纳米尺度范围的高结晶度纤维，依据其不同生物来源，天然纤维素晶体纤维截面宽从2nm到20nm不等。纤维素在生物质中形成高级层次结构，可以被单离为纳米纤维。纳米材料与纳米技术的发展掀起了新材料研究领域的一股热潮，目前生物纳米纤维材料技术已成为世界各国重点项目及先端技术的研究热点。
另外，纤维素纳米晶体气凝胶是一种有机气凝胶，除了具有低密度和高孔隙率的特点之外，由于其原料丰富廉价、可生物降解等优异特相，广泛应用于生物医学、催化剂及吸附剂负载和生态保护等诸多领域。通过纤维素溶解再生制备的纤维素气凝胶因其纳米尺寸而具有新的效应及特性，但其力学性能较低，制备具有较强力学性能的气凝胶具有广阔的应用前景。目前，纤维素基气凝胶的制备存在过程复杂、气凝胶的结构难以调控等缺陷。
发明内容
根据现有技术的缺陷，本发明主要的目的在于提供一种利用天然成分作为原料所制作而成的复合气凝胶，可用于人体皮肤或是器官的止血，并可以有助于器官的再生。
本发明的另一目的在于单纯的大鲵皮肤黏液冻干粉(SSAD)不溶于水，遇水形成凝胶，无法作为水溶性高分子材料的交联剂，本发明通过将SSAD与纤维素纳米晶体悬浮液(CNC悬浮液)超声混悬，形成由CNC包裹的SSAD溶液，增加SSAD的溶解性和混悬液的稳定性。
根据上述目的，本发明提供一种复合气凝胶，其特征在于，复合气凝胶的重量组分为100，包括:纤维素纳米晶体占重量组分范围为12.5-33.3、纤维素纳米纤维占重量组份范围为33.3-75及大鲵皮肤黏液冻干粉占重量组分范围为12.5-33.3。
根据上述复合气凝胶，本发明还提供一种复合气凝胶的制备方法，其特征在于，其步骤包括:提供大鲵皮肤黏液冻干粉(SSAD)、形成纤维素纳米晶体悬浮液，其步骤包括提供棉花、将棉花与浓硫酸混合，使棉花分散在浓硫酸中以形成悬浮液、利用去离子水对悬浮液进行稀释以及对稀释后的悬浮液进行离心并透析处理以得到纤维素纳米晶体悬浮液、将大鲵皮肤黏液冻干粉加入纤维素纳米晶体悬浮液以形成第一混合溶液、对第一混合溶液进行超声振荡处理，以得到第二混合溶液、将第二混合溶液与纤维素纳米纤维悬浮液混合以得到第三混合溶液以及将第三混合溶液进行冷冻并进行冷冻干燥以得到所述复合气凝胶。
在本发明较优选的一实施例中，棉花与浓硫酸混合后置放在油浴中。
在本发明较优选的一实施例中，纤维素纳米晶体悬浮液的酸碱(pH)值为7。
在本发明较优选的一实施例中，形成纤维素纳米纤维悬浮液的步骤包括:将纤维素板与去离子水混合以形成第一混合物、在第一混合物中添加2,2,6,6-四甲基呱啶氮氧自由基(TEMPO)、溴化钠(NaBr)及次氯酸钠(NaClO)，以形成第二混合物、调整第二混合物的酸碱值，使得第二混合物的酸碱值维持在10、对调整酸碱值后的第二混合物进行洗涤以除去杂质使得第二混合物的酸碱值为中性、对纤维素悬浮液进行超声波振荡以得到透明的纤维素悬浮液、以及对透明的纤维素悬浮液进行离心以得到纤维素纳米纤维悬浮液。
在本发明较优选的一实施例中，通过添加盐酸来调整第二混合物的酸碱值。
在本发明较优选的一实施例中，更包含利用氢氧化钠来调整第二混合物的酸碱值，使得第二混合物的酸碱值维持在10。
在本发明较优选的一实施例中，对调整酸碱值后的第二混合物进行洗涤的方式是利用分子筛来达成。
在本发明较优选的一实施例中，对纤维素悬浮液进行所述超声波振荡的功率是900瓦特下进行2小时。
在本发明较优选的一实施例中，在将第三混合溶液进行冷冻，并进行冷冻干燥以得到复合气凝胶的步骤之前，更包括将第三混合溶液在温度为4℃环境下进行预冷。
附图说明
图1是根据本发明所披露的技术，表示复合气凝胶的制备方法的步骤流程示意图。
图2是根据本发明所披露的技术，表示纯的CNF海绵和及添加有SSAD的海绵的SEM图。
图3是根据本发明所披露的技术，表示不同比例的SSAD-CS-1～SSAD-CS-4的最大应力保持率的示意图。
图4是根据本发明所披露的技术，表示不同比例的SSAD-CS-1～SSAD-CS-4与CS吸水率的示意图。
图5是根据本发明所披露的技术，表示止血海绵在液体中进行200次压缩循环的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术特征及优点，能更为相关技术领域人员所了解，并得以实施本发明，在此配合所附的图式、具体阐明本发明的技术特征与实施方式，并列举较佳实施例进一步说明。以下文中所对照的图式，为表达与本发明特征有关的示意，并未亦不需要依据实际情形完整绘制。而关于本案实施方式的说明中涉及本领域技术人员所熟知的技术内容，亦不再加以陈述。
实施例1，复合气凝胶的制备：
首先，请参考图1。图1表示形成复合气凝胶的制备方法步骤流程示意图。在图1中，步骤S1:提供大鲵皮肤黏液冻干粉。于本发明的实施例中，大鲵皮肤黏液冻干粉(SSAD)，是从活体大鲵皮肤取得粘液，将粘液冷冻干燥后再将冷冻干燥后的粘液冷冻球磨粉碎，形成大鲵皮肤粘液冻干粉。另外要说明的是，由大鲵取得皮肤黏液从而作为冻干粉是现有技术，而在本发明中使用大鲵皮肤黏液冻干粉的优点在于:大鲵皮肤黏液在制成冻干粉后具有生物胶黏剂的作用，可以代替有毒的戊二醛生物胶黏剂，提高止血海绵的力学强度，吸水率和固血效果。此外，大鲵皮肤黏液为天然成分，具备较好的安全性、较好的生物兼容性、可降解、促再生效果，同时具有抗菌、止血效果，适合作为手术创面或伤口处的组织黏合剂或敷料。
步骤S2:制备纤维素纳米晶体悬浮液(CNC悬浮液)。于此步骤中，利用浓硫酸水解法从棉花中提取纤维纳米晶体(CNC)。其步骤包括有：将10g－15g的棉花加入已盛装有配置好的浓度为64％的浓硫酸300ml。接着，将烧杯置于油浴中，并且进行搅拌使得棉花能完全的分散在浓硫酸中，以形成悬浮液，其中油浴的温度为45℃－60℃、较优选的油浴温度范围为45℃－50℃、更优选的油浴温度为45℃。搅拌则是利用磁力搅拌，其搅拌时间至少1小时。其中浓硫酸水解法反应式如式(1)所示:
紧接着，将上述的悬浮液转移到3000ml的烧杯中，并且用去离子水对此悬浮液进行稀释，其稀释的倍数为10倍。此时在烧杯的液面做标记。将此悬浮液静置一段时间之后，原来的悬浮液会有上清液出现在上层，将此烧杯中的上清液移除倒掉之后，再加入去离子水直到先前所做的标记的位置。
此时，将上述经由去离子水稀释的悬浮液利用离心的方式进行固液分离，其固液分离的方式可以是利用离心的方式来达成，在此步骤中至少进行三次的离心，因此于每一次离心之后将上清液移除，然后再进行下一次的离心步骤，直至没有上清液为止。接着，将离心后的沉淀物取出，并且置放在去离子水中，利用去离子水对沉淀物进行溶解。最后，将溶解沉淀物的溶液进行透析处理，以形成CNC悬浮液(第一混合溶液)，此时CNC悬浮液的酸碱(pH)值为7。
接着，步骤S3:将大鲵皮肤黏液冻干粉(SSAD)与CNC悬浮液混合得到第一混合溶液，并对第一混合溶液进行超声振荡处理，以得到分散均匀的第二混合溶液(SSAD/CNC乳液)。在此步骤中，通过调节大鲵皮肤黏液冻干粉与CNC悬浮液的浓度及数量可以控制大鲵皮肤黏液冻干粉与纤维素纳米晶体的比例。本实施例中，取0.25-0.5g的大鲵皮肤黏液冻干粉放置在固含量为1％的50g CNC悬浮液中混合后，并静置至少24小时。接着，将静置后的混合溶液利用超声细胞粉碎机以并以强度为1％的功率对混合溶液进行3次超声振荡处理，每一次的时间为1分钟，使其充分混合。最后可以得到分散均匀的第二混合溶液，即为SSAD/CNC乳液。其中含有SSAD0.25-0.5g及CNC为0.5g。
步骤S4:将第二混合溶液(SSAD/CNC乳液)与纤维素纳米纤维悬浮液混合以得到第三混合溶液。在此步骤中，必须先进行纤维素纳米维悬浮液(CNF)的制备。首先，是采用TEMPO氧化预处理纤维素后提取纤维素纳米纤维(CNF)，其中TEMPO为2,2,6,6-四甲基呱啶氮氧自由基，其反应式如式(2)所表示:
此步骤进一步包括有:将30g－40g的纤维素板放入烧杯中，于烧杯中加入3000ml的去离子水。对于溶在去离子水中的纤维素板搅拌直至纤维素完全分散在去离子水中，其搅拌时间10小时－12小时。
接着，将0.468g的TEMPO(0.1mmol/g纤维素)及3.086g的溴化钠(NaBr)(1.0mml/g纤维素)加入上述的溶液中，待完全溶解之后，再加入193.6g的次氯酸钠(NaClO)(1.0mmol/g纤维素)，并且在室温下进行搅拌，且于搅拌的同时使用浓度为0.1M的盐酸来调节上述溶液的酸碱值，使得整个溶液的酸碱值保持在10。在此要说明的是，由于在溶液中添加TEMPO及溴化钠后会开始进行反应，在反应的过程中，溶液的酸碱值会持续的下降，此时为了维持溶液的酸碱值在10，可以通过添加浓度为0.5M的氢氧化钠(NaOH)来维持溶液的酸碱值。当整个溶液的的酸碱值不随着时间的变化而变化时，此时则表示反应结束。
在溶液反应结束之后，利用分子筛洗涤被TEMPO氧化的纤维素浆料，并且去除杂质至酸碱值为中性。接着，将上述得到的纤维素浆料利用去离子水进行稀释以形成纤维素悬浮液。
接着，将上述得到的纤维素悬浮液用超声细胞粉碎机进行超声振荡，以功率900瓦特(Watt)、且至少进行超声振荡2小时。于超声后，原来的纤维素悬浮液变成透明的状态。最后利用10000r/min的速率对透明的纤维素悬浮液进行离心以除去未降解的杂质，于离心后可以得到均匀分散在水中的纤维素纳米纤维(CNF)溶液。
上述步骤得到的CNF溶液的固含量为0.5％，为了得到固含量为1％的纤维素纳米纤维，进一步采用水热法除去水分来提高固含量。具体步骤：将固含量为0.5％的CNF溶液以水热法的方式置入温度为90度(℃)的油浴中，在500r/min的转速下加热搅拌6-8个小时，除去一半质量的水，即可得到固含量为1％的纤维素纳米纤维。
然后，将步骤S3得到的第二混合溶液(SSAD/CNC乳液)与纤维素纳米纤维(CNF)溶液按比例混合以得到第三混合溶液，通过调整纤维素纳米纤维(CNF)溶液的浓度与数量，可以控制CNF在最终得到的复合气凝胶产物中的比例。本实施例中，加入25g含量为1％的纤维素纳米纤维(CNF)溶液与步骤S3得到的第二混合溶液混合。然后在室温下进行搅拌至少3小时，使其充分混合，于搅拌之后得到混合均匀的悬浮液(第三混合溶液)。
步骤S5:将第三混合溶液进行冷冻，并对冷冻后的样品进行冷冻干燥以得到复合气凝胶。由步骤S4得到的混合均匀的悬浮液(第三混合溶液)注入模具中，并且放入在4℃的环境下进行预冷冻，其预冷冻的时间为12小时-14小时，使得悬浮液经冷冻后形成完全冻结的样品。然后再将此样品置入冷冻干燥机进行冷冻干燥48小时，即可得到复合气凝胶，此复合气凝胶是具有形状记忆的凝胶，由于其具有止血功能，因此可以做为具有形状记忆的止血海绵也可以做为皮肤敷料。在本发明的一较优选的实施例中，模具可以是圆柱形。
按照上述方法，制备不同配比的复合气凝胶以供后续实验使用，如表1-1及表1-2所示。其中表1-2是依据表1-1以百分比换算得到的数据，CS代表纤维素海绵(cellulosesponge)。
表1-1:不同配比复合气凝胶
真实含量：
表1-2:不同配比复合气凝胶
真实含量：
根据上述制备所得到的复合气凝胶来进行以下实验例。
实验例1，不同配比的复合气凝胶肝脏止血实验：
实验材料(肝脏)的准备过程如下。先将大鼠固定于手术板上，备皮，消毒，然后行中线开腹暴露肝脏，用手挤压两侧腹，从腹腔中将肝脏挤压出，暴露在止血纱布上。用直径8mm的打孔器打孔，手术刀切除打孔后3mm厚的肝组织，导致肝脏出血,然后立即应用表2中所述的几种材料于伤口处以控制出血。记录出血时间和失血量。
出血量的测量方式如下。称量肝脏止血后和血液混合的凝集物质重量，垫底纱布上的血液重量也会被计算，减去施用的止血材料的重量(如表2所述的SSAD粉末、云南白药等)，即得到出血量数据。如式(3)的计算式，
出血量＝流出血液混合凝集物重量+垫底纱布上的血液重量-施用的止血材料的重量式(3)。
出血时间的测量方式为：出血3秒(sec)之后应用止血物质，并开始计时，至肉肉眼观察出血停止时为止。空白对照组不使用任何止血材料。
药剂来源。云南白药来源于云南白药集团有限公司(昆明)。明胶海绵来源于南昌沪士达医疗科技有限公司。SSAD-CS-1至SSAD-CS-4按照实施例1的方法制备。每一组止血材料进行至少3次实验，观察止血时间且其观察时间为300秒，并取其平均值，结果如表2所列:
表2:止血能力实验结果(观察时间为300秒(sec))
| 止血材料 | 出血时间(秒) | 出血量(毫克) |
| SSAD-CS-1 | 71.1±3.09 | 280.39±17.32 |
| SSAD-CS-2 | 63.6±2.70 | 256.44±18.63 |
| SSAD-CS-3 | 61.8±5.07 | 220.6±11.65 |
| SSAD-CS-4 | 69.8±4.36 | 268.9±10.38 |
| 明胶海绵 | 103.4±9.91 | 368.7±9.69 |
| 云南白药 | 211.6±18.26 | 602.57±38.72 |
| 空白对照 | 277.6±12.68 | 740.36±43.86 |
表2的实验结果证明对于同样严重的伤口，在观察时间300秒的时间内，具有SSAD-CS-1～SSAD-CS-4的止血材料敷盖于伤口上的出血时间明显的较空白对照的出血时间短，且SSAD-CS-1～SSAD-CS-4的止血材料的出血量也明显的小于空白对照组，这显示出不同的止血材料对应的出血时间越短，出血量越少，效果越好。另外，将具有SSAD-CS-1～SSAD-CS-4的止血材料与明胶海绵和云南白药来做比较，也显示出具有SSAD-CS-1～SSAD-CS-4的止血材料的出血时间较短，出血量也较明胶海绵和云南白药少，也就是说当患者具有严重伤口、或者是有大量出血时，可以先利用具有SSAD-CS-1～SSAD-CS-4的止血材料来敷盖在患者的伤口上，以缩短出血时间并且可以降低出血量，而可以提高患者治愈的机会。
另外，在本发明的图2中的左侧图a表示纯的CNF海绵和及右侧图b是表示添加有SSAD的海绵的SEM图，很明显的可以得知，右侧图b中多孔的三维网络结构有利于血液的吸收，此外加了SSAD之后的海绵的孔径明显变大，较大的孔径代表有更快的吸血速率，有利于更快的止血。
图3表示不同比例的SSAD-CS-1～SSAD-CS-4的最大应力保持率的示意图。在图3中，CS(cellulose sponge，简称CS)为不含有SSAD和CNC，仅含有100％CNF的纯纤维素海绵。从图3上可见，通过加入SSAD和CNC，SSAD-CS-1～SSAD-CS-4较单纯的CS的最大应力的保持率都有不同程度的提高，证明SSAD-CS-1～SSAD-CS-4较单纯的CS有更好的机械强度。
图4表示不同比例的SSAD-CS-1～SSAD-CS-4与CS吸水率的示意图。在图4中，SSAD-CS-1～SSAD-CS-4的吸血率都高于CS。由上述图3及图4以及配合前述的表1可以得知，在相同的CNF的含量(重量份数)，可借由调整CNC与SSAD的重量组分来制备不同比例的复合气凝胶，因此可以依据不同的吸水率(或是吸血率)的需求，来使用不同比例的复合气凝胶，使得复合气凝胶可以在止血上达到最大的功效。
实验例2，具有记忆能力的实验证明：
为了表征海绵形状的能力好坏，制备出直径为15mm、高度为20mm的海绵进行形状恢复时间测试。首先，将海绵压缩成直径5mm、高度为5mm的圆柱体，放入去离子水中。当接触水后，海绵会在不同的时间内恢复其原来的形状。记录海绵的形状恢复所需的时间，即为海绵的形状恢复时间。因此将本发明所制备的SSAD-CS-1～SSAD-CS-4在液体中，例如去离子水，进行压缩随后观察回复形状所需的时间，每种材料试验3次，结果如表3所列。
表3：形状恢复时间测试实验结果
而由上述的形状恢复的实验结果，本发明也对止血海绵在液体中进行200次压缩循环的实验，其结果如图5所示。图5表示止血海绵SSAD-CS-3在液体中进行200次压缩循环的示意图。在图5的左侧图a显示，第200次的压缩曲线和第一次的压缩曲线没有太大的变化；在图5的右侧图b则是表示，本发明所制备的止血海绵即使经历了200次的压缩循环，止血海绵依然保持一个较低的应力和能量损失，显示了本发明所披露的止血海绵在液体中的稳定性和良好的形状恢复能力。
以上所述仅为本发明之较佳实施例，并非用以限定本发明之权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域之专门人士应可明了及实施，因此其他未脱离本发明所揭示之精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围中。
Claims (10)
1.一种复合气凝胶，其特征在于，所述复合气凝胶的重量组分为100，包括:
纤维素纳米晶体占重量组分范围为12.5-33.3；
纤维素纳米纤维占重量组份范围为33.3-75；以及
大鲵皮肤黏液冻干粉占重量组分范围为12.5-33.3。
2.一种复合气凝胶的制备方法，其特征在于，其步骤包括:
提供大鲵皮肤黏液冻干粉；
提供纤维素纳米晶体悬浮液，所述纤维素纳米晶体悬浮液的形成步骤包括:
提供棉花；
将所述棉花与浓硫酸混合，使所述棉花分散在所述浓硫酸中以形成悬浮液；
利用去离子水对所述悬浮液进行稀释；
对稀释后的所述悬浮液进行离心并透析处理以得到所述纤维素纳米晶体悬浮液；
将所述大鲵皮肤黏液冻干粉加入纤维素纳米晶体悬浮液以形成第一混合溶液；
对所述第一混合溶液进行超声振荡处理，以得到第二混合溶液；
将所述第二混合溶液与纤维素纳米纤维悬浮液混合以得到第三混合溶液；以及
将所述第三混合溶液进行冷冻，并进行冷冻干燥以得到所述复合气凝胶。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，更包含将所述棉花与所述浓硫酸混合后置放在油浴中。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述纤维素纳米晶体悬浮液的酸碱值为7。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，形成所述纤维素纳米纤维悬浮液的步骤包括:
将纤维素板与去离子水混合以形成第一混合物；
在所述第一混合物中添加2,2,6,6-四甲基呱啶氮氧自由基、溴化钠及次氯酸钠，以形成第二混合物；
调整所述第二混合物的酸碱值，使得所述第二混合物的所述酸碱值维持在10；
对调整酸碱值后的所述第二混合物进行洗涤以除去杂质使得所述第二混合物的酸碱值为中性：
对除去所述杂质的所述第二混合物加入去离子水进行稀释以形成纤维素悬浮液；
对所述纤维素悬浮液进行超声波振荡以得到透明的所述纤维素悬浮液；以及
对所述透明的所述纤维素悬浮液进行离心以得到所述纤维素纳米纤维悬浮液。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，调整所述第二混合物的所述酸碱值是经过添加盐酸来达成。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，更包含利用氢氧化钠来调整所述第二混合物的所述酸碱值，使得所述第二混合物的所述酸碱值维持在10。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，对所述酸碱值为10的所述第二混合物进行洗涤的方式是利用分子筛来达成。
9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，对所述纤维素悬浮液进行所述超声波振荡的功率是900瓦特。
10.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在将所述第三混合溶液进行所述冷冻，并进行所述冷冻干燥以得到所述复合气凝胶的步骤之前，更包括将所述第三混合溶液在温度为4℃环境下进行预冷。
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