CN114702734A - 一种纤维素醚类凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维素醚类凝胶及其制备方法和应用，属于生物医用材料技术领域。所述纤维素醚类凝胶由包括按重量份计的羧甲基纤维素钠50～90份、甲基纤维素10～50份和交联剂0.3～2份的组分制得。本发明以甲基纤维素和羧甲基纤维钠为原料，交联后制得的纤维素醚类凝胶具备吸水速度快的特点，同时吸水后具备较高的弹性模量。弹性模量可达1000～2500Pa，吸水率为50～80g/g。本发明所述凝胶的性能可通过改变甲基纤维素和羧甲基纤维素的用量进行调节，可满足不同的应用需求，调节方式更为灵活多样。本发明所述凝胶所用原料、交联剂均安全无毒，符合环保和可持续发展需求，更适用于生物医用领域，尤其是作为胃内吸水溶胀占位剂用于体重控制。
Description
技术领域
本发明涉及生物医用材料技术领域，特别涉及一种纤维素醚类凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
纤维素醚是由纤维素制成的具有醚结构的高分子化合物，能溶于水、稀碱溶液和有机溶剂，并具有热塑性。纤维素醚类品种繁多，常见的纤维素醚有羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素、羟乙基纤维素等，这些纤维素醚性能优良，广泛用于建筑、水泥、石油、食品、纺织、洗涤剂、涂料、医药、造纸及电子元件等工业。
纤维素醚类物质交联后可以得到纤维素醚类凝胶。纤维素醚类凝胶具有吸水性强、力学性能优秀，是一种常用的生物医用材料，可以用于组织修复、药物控释载体等。
纤维素醚类凝胶制备所用的交联剂通常是环氧类和醛类，如环氧氯丙烷、戊二醛等，这些交联剂存在一定的毒性及安全性问题。柠檬酸是一种安全无毒的材料，柠檬酸交联的纤维素醚类凝胶应用于生物医用领域更具优势。
CN103917092A公开了一种生产水凝胶的方法，交联剂为柠檬酸，柠檬酸浓度以相对于羧甲基纤维素重量计约0.5％wt/wt或更低，或约0.35％wt/wt或更低，或约0.3％wt/wt或更低。
CN107250164A公开了用于制造结合高弹性模量和吸收性的水凝胶的方法，其中提供了制备所述交联羧甲基纤维素的方法。
然而，这种凝胶原料单一，用交联剂交联效率差导致凝胶结构不稳定，使凝胶功能受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纤维素醚类凝胶及其制备方法和应用，以克服现有技术的不足。本发明通过以羧甲基纤维素钠、甲基纤维素为主要原料，以含羧基化合物为交联剂，制备出的纤维素醚类凝胶具有弹性模量高、吸水速度快、吸水容量大等优点；本发明可采取更加多样的性能调节方式以满足不同应用的需求。此外，本发明所用原料安全无毒、绿色环保，制得产品适用于生物医用材料领域。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明技术方案之一：提供一种纤维素醚类凝胶，由包括按重量份计的羧甲基纤维素钠50～90份、甲基纤维素10～50份和交联剂0.3～2份的组分制得。
优选地，所述交联剂为多羧基化合物。
更优选地，所述含羧基化合物包括柠檬酸、丁二酸和苹果酸中的一种或多种。
以柠檬酸为例，本发明的反应机理图见图1，柠檬酸有三个羧基，在加热失水下能两次生成环状酸酐，每次生成的环状酸酐可分别与甲基纤维素和羧甲基纤维素钠分子链上的羟基反应，结果是将甲基纤维素和羧甲基纤维素钠分子交联起来。因此，在这里，柠檬酸主要起交联作用。
对比只用羧甲基纤维素钠作为单一原料的纤维素醚类凝胶，本发明具备优势的原因在于，甲基纤维素的加入能促进羧甲基纤维素钠分子链之间的交联，可以在交联剂用量不变的情况下，凝胶的力学性能得到增强。而只用羧甲基纤维素钠作为单一原料，由于聚电解质链之间的静电排斥和C6位置的羟基的高度取代，交联效率很差，力学性能较低；若要增强力学性能，则必须提高交联剂的用量。本发明则是在以羧甲基纤维素钠作为主要原料的基础上，加入甲基纤维素进行混合交联，使得凝胶同时具备较好的吸水性能和力学性能。
本发明技术方案之二：提供一种上述纤维素醚类凝胶的制备方法，包括以下步骤：
将甲基纤维素水溶液和交联剂、羧甲基纤维素钠混合水溶液混合，搅拌，一次干燥，一次干燥产物粉碎后进行加热反应，洗涤，二次干燥，二次干燥产物再次粉碎，制得纤维素醚类凝胶。
优选地，所述甲基纤维素水溶液中甲基纤维素的质量分数为0.5～5％；所述交联剂、羧甲基纤维素钠混合水溶液中羧甲基纤维素钠的质量分数为2～6％。
优选地，所述甲基纤维素水溶液的制备步骤为将甲基纤维素溶于60～80℃水中，冷却，搅拌2～4h，制得。
优选地，所述搅拌的时间为1～3h，搅拌后还包含静置步骤，静置时间为12～24h，使混合溶液消泡；所述加热反应的温度为80～140℃，时间为4～24h。
优选地，所述加热反应前还包含过筛步骤，具体为：利用0.1mm和1.6mm的筛网筛分粉碎后的颗粒，选取0.1～1.6mm粒径的颗粒。
优选地，所述再次粉碎后还包含过筛步骤，具体为：利用0.1mm和1.0mm的筛网筛分再次粉碎后的颗粒，选取0.1～1.0mm粒径的颗粒，即为纤维素醚类凝胶。
优选的，所述一次干燥的温度为40～60℃；所述二次干燥的温度为40～50℃。
本发明技术方案之三：提供一种上述纤维素醚类凝胶在生物医用材料中的应用，尤其是作为胃内吸水溶胀占位剂用于体重控制
本发明的纤维素醚类凝胶可以在治疗肥胖症的方法中使用，减少食物或卡路里摄取量，或实现或保持饱腹感。使用方法为给受试者的胃施用本发明的有效量的纤维素醚类凝胶，优选通过口服给药。举例来说，通过使受试者，如哺乳动物，包括人类，任选与一定体积的水一起吞下。一经接触水或含水胃内容物，所述纤维素醚类凝胶溶胀并占据胃的容积，减小胃对食品的容量和/或食物吸收率。当与食物组合摄取时，所述纤维素醚类凝胶增加食物团块的体积而不增加食物的卡路里含量。进食之前，受试者可以将聚合物水凝胶与食物组合摄取，举例来说，聚合物水凝胶与食物的混合物。
本发明的纤维素醚类凝胶，也可以以片剂或胶囊或适于口服给药的其它制剂的形式施用于受试者。片剂或胶囊可进一步包括一种或多种附加剂，如pH调节剂，和/或制药学上可用的载体或赋形剂。
本发明的有益技术效果如下：
本发明以甲基纤维素和羧甲基纤维钠为原料，交联后制得的纤维素醚类凝胶具备吸水率高的特点，同时吸水后具备较高的弹性模量。弹性模量可达1000～2500Pa，吸水率为50～80g/g。
本发明所述凝胶的性能可通过改变甲基纤维素和羧甲基纤维素的用量进行调节，可满足不同的应用需求，调节方式更为灵活多样。
本发明所述凝胶所用原料、交联剂均安全无毒，符合环保和可持续发展需求，更适用于生物医用领域。
附图说明
图1为本发明的反应机理图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。
另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1
一种纤维素醚类凝胶，通过如下方法制备得到：
(1)称取3.75g甲基纤维素加入到0.5L 70℃热水里，冷却，搅拌3小时，得到甲基纤维素溶液。
(2)称取0.21g柠檬酸加入到0.5L纯化水中，充分搅拌至完全溶解；然后称取26.25g羧甲基纤维素钠加入，搅拌4小时，得到羧甲基纤维素钠和柠檬酸的混合溶液。
(3)将上述两种溶液混合，搅拌2小时，使两种溶液充分混合均匀，静置24小时，消泡。
(4)将上述溶液倒入不锈钢托盘中，置于电热鼓风干燥箱中，50℃烘干，得到甲基纤维素、羧甲基纤维素钠和柠檬酸酸的混合物。
(5)将上述混合物用研磨粉碎机粉碎成颗粒，使用孔径为0.1mm和1.6mm的筛网筛分，得到的颗粒均匀平铺于不锈钢托盘中；置于电热鼓风干燥箱中，120℃静置反应6小时。
(6)将上述反应产物分散于4500mL水中，搅拌4小时；用筛网收集洗涤后的颗粒，分散平铺与塑料托盘中，置于电热鼓风干燥箱中，40℃烘干。
(7)将上述烘干后连成片的颗粒再次用研磨粉碎机粉碎成颗粒，使用孔径0.1mm和1mm的筛网筛分，得到交联的纤维素醚类凝胶。
实施例2
一种纤维素醚类凝胶，通过如下方法制备得到：
(1)称取5g甲基纤维素加入到0.5L 70℃热水里，冷却，搅拌3小时，得到甲基纤维素溶液。
(2)称取0.21g柠檬酸加入到0.5L纯化水中，充分搅拌至完全溶解；然后称取25g羧甲基纤维素钠加入，搅拌4小时，得到羧甲基纤维素钠和柠檬酸的混合溶液。
(3)将上述两种溶液混合，搅拌2小时，使两种溶液充分混合均匀，静置24小时，消泡。
(4)将上述溶液倒入不锈钢托盘中，置于电热鼓风干燥箱中，50℃烘干，得到甲基纤维素、羧甲基纤维素钠和柠檬酸酸的混合物。
(5)将上述混合物用研磨粉碎机粉碎成颗粒，使用孔径为0.1mm和1.6mm的筛网筛分，得到的颗粒均匀平铺于不锈钢托盘中；置于电热鼓风干燥箱中，120℃静置反应6小时。
(6)将上述反应产物分散于4500mL水中，搅拌4小时；用筛网收集洗涤后的颗粒，分散平铺与塑料托盘中，置于电热鼓风干燥箱中，40℃烘干。
(7)将上述烘干后连成片的颗粒再次用研磨粉碎机粉碎成颗粒，使用孔径0.1mm和1mm的筛网筛分，得到交联的纤维素醚类凝胶。
实施例3
一种纤维素醚类凝胶，通过如下方法制备得到：
(1)称取7.5g甲基纤维素加入到0.5L 70℃热水里，冷却，搅拌3小时，得到甲基纤维素溶液。
(2)称取0.21g柠檬酸加入到0.5L纯化水中，充分搅拌至完全溶解；然后称取22.5羧甲基纤维素钠加入，搅拌4小时，得到羧甲基纤维素钠和柠檬酸的混合溶液。
(3)将上述两种溶液混合，搅拌2小时，使两种溶液充分混合均匀，静置24小时，消泡。
(4)将上述溶液倒入不锈钢托盘中，置于电热鼓风干燥箱中，50℃烘干，得到甲基纤维素、羧甲基纤维素钠和柠檬酸酸的混合物。
(5)将上述混合物用研磨粉碎机粉碎成颗粒，使用孔径为0.1mm和1.6mm的筛网筛分，得到的颗粒均匀平铺于不锈钢托盘中；置于电热鼓风干燥箱中，120℃静置反应6小时。
(6)将上述反应产物分散于4500mL水中，搅拌4小时；用筛网收集洗涤后的颗粒，分散平铺与塑料托盘中，置于电热鼓风干燥箱中，40℃烘干。
(7)将上述烘干后连成片的颗粒再次用研磨粉碎机粉碎成颗粒，使用孔径0.1mm和1mm的筛网筛分，得到交联的纤维素醚类凝胶。
实施例4
一种纤维素醚类凝胶，通过如下方法制备得到：
(1)称取15g甲基纤维素加入到0.5L 70℃热水里，冷却，搅拌3小时，得到甲基纤维素溶液。
(2)称取0.21g柠檬酸加入到0.5L纯化水中，充分搅拌至完全溶解；然后称取15g羧甲基纤维素钠加入，搅拌4小时，得到羧甲基纤维素钠和柠檬酸的混合溶液。
(3)将上述两种溶液混合，搅拌2小时，使两种溶液充分混合均匀，静置24小时，消泡。
(4)将上述溶液倒入不锈钢托盘中，置于电热鼓风干燥箱中，50℃烘干，得到甲基纤维素、羧甲基纤维素钠和柠檬酸酸的混合物。
(5)将上述混合物用研磨粉碎机粉碎成颗粒，使用孔径为0.1mm和1.6mm的筛网筛分，得到的颗粒均匀平铺于不锈钢托盘中；置于电热鼓风干燥箱中，120℃静置反应6小时。
(6)将上述反应产物分散于4500mL水中，搅拌4小时；用筛网收集洗涤后的颗粒，分散平铺与塑料托盘中，置于电热鼓风干燥箱中，40℃烘干。
(7)将上述烘干后连成片的颗粒再次用研磨粉碎机粉碎成颗粒，使用孔径0.1mm和1mm的筛网筛分，得到交联的纤维素醚类凝胶。
实施例5
一种纤维素醚类凝胶，通过如下方法制备得到：
(1)称取15g甲基纤维素加入到0.5L 70℃热水里，冷却，搅拌3小时，得到甲基纤维素溶液。
(2)称取0.21g柠檬酸加入到0.5L纯化水中，充分搅拌至完全溶解；然后称取15g羧甲基纤维素钠加入，搅拌4小时，得到羧甲基纤维素钠和柠檬酸的混合溶液。
(3)将上述两种溶液混合，搅拌2小时，使两种溶液充分混合均匀，静置24小时，消泡。
(4)将上述溶液倒入不锈钢托盘中，置于电热鼓风干燥箱中，50℃烘干，得到甲基纤维素、羧甲基纤维素钠和柠檬酸酸的混合物。
(5)将上述混合物用研磨粉碎机粉碎成颗粒，使用孔径为0.1mm和1.6mm的筛网筛分，得到的颗粒均匀平铺于不锈钢托盘中；置于电热鼓风干燥箱中，80℃静置反应24小时。
(6)将上述反应产物分散于4500mL水中，搅拌4小时；用筛网收集洗涤后的颗粒，分散平铺与塑料托盘中，置于电热鼓风干燥箱中，40℃烘干。
(7)将上述烘干后连成片的颗粒再次用研磨粉碎机粉碎成颗粒，使用孔径0.1mm和1mm的筛网筛分，得到交联的纤维素醚类凝胶。
实施例6
一种纤维素醚类凝胶，通过如下方法制备得到：
(1)称取15g甲基纤维素加入到0.5L 70℃热水里，冷却，搅拌3小时，得到甲基纤维素溶液。
(2)称取0.21g柠檬酸加入到0.5L纯化水中，充分搅拌至完全溶解；然后称取15g羧甲基纤维素钠加入，搅拌4小时，得到羧甲基纤维素钠和柠檬酸的混合溶液。
(3)将上述两种溶液混合，搅拌2小时，使两种溶液充分混合均匀，静置24小时，消泡。
(4)将上述溶液倒入不锈钢托盘中，置于电热鼓风干燥箱中，50℃烘干，得到甲基纤维素、羧甲基纤维素钠和柠檬酸酸的混合物。
(5)将上述混合物用研磨粉碎机粉碎成颗粒，使用孔径为0.1mm和1.6mm的筛网筛分，得到的颗粒均匀平铺于不锈钢托盘中；置于电热鼓风干燥箱中，140℃静置反应4小时。
(6)将上述反应产物分散于4500mL水中，搅拌4小时；用筛网收集洗涤后的颗粒，分散平铺与塑料托盘中，置于电热鼓风干燥箱中，40℃烘干。
(7)将上述烘干后连成片的颗粒再次用研磨粉碎机粉碎成颗粒，使用孔径0.1mm和1mm的筛网筛分，得到交联的纤维素醚类凝胶。
对比例1
一种纤维素醚类凝胶，通过如下方法制备得到：
(1)称取0.21g柠檬酸加入到1L纯化水中，充分搅拌至完全溶解；然后称取30g羧甲基纤维素钠加入，搅拌4小时，得到羧甲基纤维素钠和柠檬酸的混合溶液，静置24小时，消泡。
(2)将上述溶液倒入不锈钢托盘中，置于电热鼓风干燥箱中，50℃烘干，得到羧甲基纤维素钠和柠檬酸酸的混合物。
(3)将上述混合物用研磨粉碎机粉碎成颗粒，使用孔径为0.1mm和1.6mm的筛网筛分，得到的颗粒均匀平铺于不锈钢托盘中；置于电热鼓风干燥箱中，120℃静置反应6小时。
(4)将上述反应产物分散于4500mL水中，搅拌4小时；用筛网收集洗涤后的颗粒，分散平铺与塑料托盘中，置于电热鼓风干燥箱中，40℃烘干。
(5)将上述烘干后连成片的颗粒再次用研磨粉碎机粉碎成颗粒，使用孔径0.1mm和1mm的筛网筛分，得到交联的纤维素醚类凝胶。
对比例2
一种纤维素醚类凝胶，通过如下方法制备得到：
(1)称取0.45g柠檬酸加入到1L纯化水中，充分搅拌至完全溶解；然后称取30g羧甲基纤维素钠加入，搅拌4小时，得到羧甲基纤维素钠和柠檬酸的混合溶液，静置24小时，消泡。
(2)将上述溶液倒入不锈钢托盘中，置于电热鼓风干燥箱中，50℃烘干，得到羧甲基纤维素钠和柠檬酸酸的混合物。
(3)将上述混合物用研磨粉碎机粉碎成颗粒，使用孔径为0.1mm和1.6mm的筛网筛分，得到的颗粒均匀平铺于不锈钢托盘中；置于电热鼓风干燥箱中，120℃静置反应6小时。
(4)将上述反应产物分散于4500mL水中，搅拌4小时；用筛网收集洗涤后的颗粒，分散平铺与塑料托盘中，置于电热鼓风干燥箱中，40℃烘干。
(5)将上述烘干后连成片的颗粒再次用研磨粉碎机粉碎成颗粒，使用孔径0.1mm和1mm的筛网筛分，得到交联的纤维素醚类凝胶。
实施例1～6及对比例1～2的工艺参数及产品性能汇总结果见表1。其中，弹性模量和粘性模量的测定方法如下：
所用旋转流变仪为安东帕的MCR301或等效设备，装备有50mm平行板。
1.将磁力搅拌棒放入100mL烧杯中。
2.将40.0±1.0g去离子水添加到烧杯中。
3.将烧杯放在磁力搅拌器上并在室温下轻柔地搅拌。
4.使用称量纸准确地称取0.200±0.005g纤维素醚类凝胶粉末。
5.将该粉末添加至烧杯中并用磁力搅拌器在不产生旋涡情况下轻柔地搅拌60±2分钟。
6.从所得悬浮液中取出搅拌棒，将过滤漏斗放在支架上并将悬浮液倒入过滤漏斗中，用刮勺收集任何残留的物质。
7.使该物质排出，持续10±1分钟。
8.收集所产生的物质。
9.用旋转流变仪测定在10rad/s的角频率下弹性模量和粘性模量；该测定是一式三份进行，三次平行试验取平均值为最终结果，测定结果见表1。
表1各实施例及对比例汇总信息表
参考对比例，在不加甲基纤维素的情况下，随着交联剂含量的增加，制得凝胶的吸水率显著降低，弹性模量升高。根据实施例1～4可以看出，在固定交联剂含量的情况下，甲基纤维素与羧甲基纤维素钠的比例增大，所得产物的弹性模量也增大，吸水率较高且改变不大。通过实施例1～4可以看出，通过添加合适的甲基纤维素的量，能得到吸水率高，弹性模量高的产物。
若为了提高凝胶的强度添加过多的柠檬酸，会导致后期处理不易除去的问题；使用两种原料交联得到的材料，固定交联剂用量，通过改变原料比例，在保持高吸水性的同时，能显著提高其力学强度；而仅有一种交联原料，通过调节交联剂的用量，在提高力学强度的同时，其吸水率会显著降低。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种纤维素醚类凝胶，其特征在于，由包括按重量份计的羧甲基纤维素钠50～90份、甲基纤维素10～50份和交联剂0.3～2份的组分制得。
2.根据权利要求1所述的纤维素醚类凝胶，其特征在于，所述交联剂为多羧基化合物。
3.根据权利要求2所述的纤维素醚类凝胶，其特征在于，所述含羧基化合物包括柠檬酸、丁二酸和苹果酸中的一种或多种。
4.一种权利要求1～3任一项所述纤维素醚类凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将甲基纤维素水溶液和交联剂、羧甲基纤维素钠混合水溶液混合，搅拌，一次干燥，一次干燥产物粉碎后进行加热反应，洗涤，二次干燥，二次干燥产物再次粉碎，制得纤维素醚类凝胶。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述甲基纤维素水溶液中甲基纤维素的质量分数为0.5～5％；所述交联剂、羧甲基纤维素钠混合水溶液中羧甲基纤维素钠的质量分数为2～6％。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述甲基纤维素水溶液的制备步骤为将甲基纤维素溶于60-80℃水中，冷却，搅拌2～4h，制得。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌的时间为1～3h，搅拌后还包含静置步骤；所述加热反应的温度为80～140℃，时间为4～24h。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述加热反应前还包含过筛步骤，具体为：利用0.1mm和1.6mm的筛网筛分粉碎后的颗粒，选取0.1～1.6mm粒径的颗粒。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述再次粉碎后还包含过筛步骤，具体为：利用0.1mm和1.0mm的筛网筛分再次粉碎后的颗粒，选取0.1～1.0mm粒径的颗粒，即为纤维素醚类凝胶。
10.权利要求1～3任一项所述纤维素醚类凝胶在生物医用材料中的应用，其特征在于，作为胃内吸水溶胀占位剂用于体重控制。
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