一种壳聚糖基纳米纤维及其制备方法与流程

1.本发明属于高分子纤维领域，具体地涉及一种壳聚糖基纳米纤维及其制备方法。


背景技术：

2.壳聚糖即脱乙酰葡萄糖胺，是天然多糖甲壳素脱除部分乙酰基的产物，自然界中唯一带正电荷的高分子聚合物，具有优异的生物相容性和生物降解性，并具有抑菌、抗癌、降脂、增强免疫等独特的生物学功能(cai lingke et al.antimicrobial actions and applications of chitosan,polymers 2021,13,904
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925；jose luissanchez
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salvador et al.chitosan grafted/cross
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linked with biodegradable polymers:a review,international journal of biological macromolecules 2021,178,325
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343)。静电纺丝是一种新兴的材料制备技术，通过施加高压电场，使高分子溶液带电拉伸形成射流，随着溶剂的挥发，形成超细的、直径在纳米级别的纤维。这些纳米纤维经过无规、有序或者按照特定的方式堆积，可形成高比表面积、高孔隙率的纳米多孔薄膜或三维立体材料，用于伤口修复、组织再生、药物输送等医学领域均具有显著的优势(seema agarwal et al.use of electrospinning technique for biomedical applications.polymer 2008,49,5603
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5621；hai
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sheng wang et al.functional polymeric nanofibers from electrospinning.recent patents on nanotechnology 2009,3,21
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31)。鉴于壳聚糖材料和静电纺纳米纤维结构的优势，近年来国内外研究机构纷纷致力于开发壳聚糖纳米纤维医用材料。由于壳聚糖不溶于有机溶剂，在中性条件下也不能溶解于水，人们往往首先使用酸(如乙酸、三氟乙酸)水溶液等来溶解壳聚糖，进行壳聚糖的静电纺丝(kousaku ohkawa,et al.chitosan nanofiber,biomacromolecules 2006,7,3291
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3294；sander de vrieze,et al.electrospinning of chitosan nanofibrous structures:feasibility study.journal of material science 2007,42,8029
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8034；mehdi pakravana,et al.a fundamental study of chitosan/peo electrospinning.polymer 2011,52,4813
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4824)。然而，这些酸溶剂在纺丝过程中无法完全挥发，会残留一部分到形成的壳聚糖纳米纤维中，使纤维遇水很快溶解，无法作为材料在生理的水相环境使用；因此，为了提高壳聚糖纳米纤维的耐水性，人们往往对其进行碱(如碳酸钠、氢氧化钠)溶液洗涤除酸(jae
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min parka,et al.immobilization of lysozyme
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clea onto electrospun chitosan nanofiber for effective antibacterial applications.international journal of biological macromolecules 2013,54,37
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43；jian du,et al.comparative evaluation of chitosan,cellulose acetate,and polyethersulfone nanofiber scaffolds for neural differentiation,carbohydrate polymers 2014,99,483
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490)或者戊二醛交联(fatemeh kalalinia,et al.evaluation of wound healing efficiency of vancomycin
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loaded electrospun chitosan/poly ethylene oxide nanofibers in full thickness wound model of rat.international journal of biological macromolecules 2021,177,100
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110)。然而，这些液相后处理过程繁琐，可能引入毒性试
剂，这对于壳聚糖纳米纤维的批量生产和医学应用非常不利。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种壳聚糖基纳米纤维及其制备方法，该方法无需液相后处理过程，且得到的纳米纤维具有良好的耐水性。
4.本发明首先提供一种壳聚糖基纳米纤维的制备方法，该制备方法包括：
5.步骤一：将壳聚糖溶解到稀酸水溶液中，处理后得到壳聚糖酸盐；
6.步骤二：将步骤一得到的壳聚糖酸盐与水溶性柔性高分子共同溶解于水，静电纺丝，得到纺丝纤维；
7.步骤三：将步骤二得到的纺丝纤维进行加热处理，得到壳聚糖基纳米纤维。
8.优选的是，所述的稀酸水溶液的浓度为0.1～10％，稀酸水溶液中的酸为乙酸、甲酸、乳酸、盐酸、硝酸、硫酸、三氟乙酸或磷酸。
9.优选的是，所述的步骤一的处理过程为：搅拌溶解，用水透析，冻干，或者用醇类溶剂沉降、洗涤，再真空干燥。
10.优选的是，所述的步骤二中的水溶性柔性高分子为聚氧化乙烯、聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮。
11.优选的是，所述的步骤二中壳聚糖酸盐与水溶性柔性高分子的质量比为70：30～95：5。
12.优选的是，所述的步骤三中的加热处理的温度为100～240℃，加热时间为0～2小时。
13.优选的是，所述的步骤三还包括，将热处理后的产物进行洗涤，去除聚氧化乙烯，得到纯壳聚糖纳米纤维。
14.本发明还提供上述制备方法得到的壳聚糖基纳米纤维。
15.本发明的有益效果
16.本发明提供一种壳聚糖基纳米纤维及其制备方法，该方法首先制备壳聚糖酸盐，然后将壳聚糖酸盐与柔性水溶性高分子共同溶解于水静电纺丝，再对得到的纤维进行加热处理，在纺丝和/或加热过程中，酸根脱离壳聚糖，即得到具有耐水性能的壳聚糖基纳米纤维。本发明的制备方法简单、快捷、成本低、静电纺丝步骤之后无液相后处理，也不引入毒性试剂。
17.本发明还提供上述制备方法得到的壳聚糖基纳米纤维，该壳聚糖基纳米纤维能够耐受水相环境，在生理的水相条件下具有良好的结构稳定性，可生物医用。
附图说明
18.图1为本发明实施例1得到壳聚糖基纳米纤维的扫描电子显微镜照片和在模拟体液，37℃浸泡后的扫描电子显微镜照片(a图)和质量保持情况(b图)。
19.图2为本发明实施例2得到壳聚糖基纳米纤维的扫描电子显微镜照片。
20.图3为本发明实施例3得到壳聚糖基纳米纤维初始的和在模拟体液37摄氏度浸泡1周以后的扫描电子显微镜照片。
21.图4为本发明实施例4得到壳聚糖基纳米纤维初始的和在模拟体液浸泡1周以后的
扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
22.本发明首先提供一种壳聚糖基纳米纤维的制备方法，该制备方法包括：
23.步骤一：将壳聚糖溶解到稀酸水溶液中，处理后得到壳聚糖酸盐；所述的处理过程优选包括：搅拌溶解，用水透析，冻干，或者用醇类溶剂沉降、洗涤，再真空干燥；所述的醇类溶剂优选为乙醇，所述的稀酸水溶液的浓度优选为0.1～10％，更优选为0.5～2％，本发明所述的稀酸水溶液中酸的选取直接影响后续的热处理步骤，所述的酸优选为乙酸、甲酸、乳酸、盐酸、硝酸、硫酸、三氟乙酸或磷酸，当酸选为乙酸时，由于乙酸酸性较弱，得到的壳聚糖盐易分解，不需要进行热处理，电纺直接得到的纤维就有耐水性能；
24.步骤二：将步骤一得到的壳聚糖酸盐与水溶性柔性高分子共同溶解于水，静电纺丝，得到纺丝纤维；所述的水溶性柔性高分子优选为聚氧化乙烯、聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮，更优选为聚氧化乙烯，由于聚氧化乙烯的分子链柔性的特性，将其与壳聚糖酸盐结合到一起，会起到促进壳聚糖酸盐的分子链缠结的作用，从而达到电纺形成纤维的效果；所述的壳聚糖酸盐与水溶性柔性高分子的质量比优选为70：30～95：5，所述的静电纺丝的条件优选为6～30kv电压，10～30cm喷丝头与接收器距离。
25.步骤三：将步骤二得到的纺丝纤维进行加热处理，得到壳聚糖基纳米纤维。
26.所述的加热处理的温度优选为100～240℃，更优选为120～160℃，加热时间优选为0～12小时，更优选为30分钟～2小时。
27.按照本发明，所述的步骤三还包括，将热处理后的产物用水进行洗涤，去除聚氧化乙烯，得到纯壳聚糖纳米纤维。
28.本发明还提供上述制备方法得到的壳聚糖基纳米纤维。
29.下面采用具体的实施例进一步说明本发明，但本发明并不限于此。
30.实施例1：以乙酸为酸，聚氧化乙烯为柔性水溶性高分子，制备壳聚糖/聚氧化乙烯纳米纤维。
31.(1)将壳聚糖加入水中，添加乙酸，搅拌溶解8小时，得到乙酸浓度为2％，壳聚糖浓度为2％的溶液。将该溶液转移到截留分子量为3500的透析袋中，用大量超纯水透析8遍，每遍3小时，然后用冷冻干燥机冻干，得到壳聚糖乙酸盐；
32.(2)分别配制2.5％的壳聚糖乙酸盐和4％的聚氧化乙烯(分子量为500万)水溶液，然后按照壳聚糖乙酸盐与聚氧化乙烯的质量比为80:20将两溶液混合，将混合液在室温下搅拌均匀后静置过夜，得到无气泡的均匀混合溶液，将上述混合溶液置于20kv的高压电场下纺丝，在距离喷丝头25cm处收集纤维；
33.将得到的材料进行形貌测试，并将其浸泡到模拟体液中，37℃恒温培养一定时间后表征其形貌和质量，评价其耐水性。如图1所示，纳米纤维表面光滑，在模拟体液浸泡的4周时间内纳米纤维形貌良好，损失质量不足30％，表明其具有优异的耐水性能。
34.实施例2：以乙酸为酸，聚乙烯醇为柔性水溶性高分子，制备壳聚糖/聚乙烯醇纳米纤维。
35.(1)按照实施例1的方法制备壳聚糖乙酸盐，并配制2.5％的溶液，同时配制10％的聚乙烯醇(分子量为10万)水溶液，然后按照壳聚糖醋酸盐与聚乙烯醇的质量比为40:60将
两溶液混合，将混合液在室温下搅拌均匀后静置过夜，得到无气泡的均匀混合溶液，将上述混合溶液置于25kv的高压电场下纺丝，在距离喷丝头22cm处收集纤维，得到壳聚糖/聚乙烯醇纳米纤维。如图2所示，纳米纤维形貌良好，并将其浸泡到模拟体液中，37℃恒温培养1周后仍保持39.2％的初始质量，表明其具有一定的耐水性能。
36.实施例3：以甲酸为酸，聚氧化乙烯为柔性水溶性高分子，制备壳聚糖/聚氧化乙烯纳米纤维。
37.(1)将壳聚糖加入水中，添加甲酸，搅拌溶解12小时，得到甲酸浓度为2％，壳聚糖浓度为2％的溶液。将该溶液转移到截留分子量为3500的透析袋中，用大量超纯水透析8遍，每遍3小时，然后用冷冻干燥机冻干，得到壳聚糖甲酸盐；
38.(2)分别配制2.5％的壳聚糖甲酸盐和4％的聚氧化乙烯(分子量为500万)水溶液，然后按照壳聚糖甲酸盐与聚氧化乙烯的质量比为80:20将两溶液混合，将混合液在室温下搅拌均匀后静置过夜，得到无气泡的均匀混合溶液，将上述混合溶液置于20kv的高压电场下纺丝，在距离喷丝头25cm处收集纤维；
39.(3)将得到的纳米纤维至于烘箱中，120℃加热30分钟。
40.如图3所示，获得的纳米纤维形貌良好，浸泡到模拟体液中37℃恒温培养1周后仍保持62.6％的初始质量和纳米纤维的形貌，表明其具有较好的耐水性能。
41.实施例4：纯壳聚糖纳米纤维
42.将实施例1得到的壳聚糖/聚氧化乙烯纳米纤维用大量纯水洗涤去除聚氧化乙烯，冷冻干燥，得到纯壳聚糖纳米纤维。
43.如图4所示，获得的纳米纤维形貌良好，浸泡到模拟体液中37℃恒温培养1周后仍保持98.9％的原始质量和良好的纳米纤维形貌，表明其具有优异的耐水性能。