CN103820880A - 一种海藻酸钙纤维及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海藻酸钙纤维及其制备方法，所述纤维为多孔状、棒状或棒状多孔复合结构海藻酸钙水凝胶，纤维直径为10～500μm；其制备方法为：基于水动力学的作用，利用海藻酸钠与氯化钙反应生成海藻酸钙水凝胶的化学原理，通过设计微流体装置，使海藻酸钠溶液和氯化钙溶液混合发生凝胶化反应，通过调节内相流体的流速，使生成不同结构及尺寸的纤维。本发明的制备方法简单安全、成本较低、实验可重复性强；制备过程中不涉及高压电场，不会对细胞造成损伤，可以实现细胞封装；所制备的纤维结构不仅均匀，尺寸可控，而且生物相容性好，可直接应用于细胞培养、药物输送等生物医学领域，应用前景广阔。

Description

一种海藻酸钙纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物材料技术领域，特别是涉及一种海藻酸钙纤维及其制备方法。

背景技术

生物材料主要作用于人体，因此对其要求非常严格。一般来说，生物材料具有四个方面特性：（1）生物功能性：因各种生物材料的用途而异；（2）生物相容性：主要包括血液相容性和组织相容性，如无毒、无致癌性、无热原反应、无免疫排斥反应等；（3）化学稳定性：耐生物老化性或可控生物降解性；（4）可加工性：能够成型、消毒，如紫外灭菌、高压煮沸等。

海藻酸盐凝胶作为一种稳定的材料，正被广泛应用于生物医学领域。其中，海藻酸钙凝胶因具有许多优良性质，如生物相容性好、细胞毒性较低、无免疫原性、可被生物降解、可以在适宜的条件下加工成形等，近年来被广泛应用于组织工程、细胞培养和药物输送等方面，是一种优良的生物材料。

从传统角度讲，水凝胶纤维可以通过纺丝的方法生成，即将海藻酸钠溶液通过喷丝头的小孔挤入凝胶收集池中，当池中有合适的化学试剂（如钙离子或其他二价阳离子）与海藻酸钠高分子链交联形成凝胶态时，或者当海藻酸钠在有机溶剂（如丙酮）中无法溶解时，即形成纤维，纤维直径一般在几十至几百微米。除此之外，静电纺丝技术已经被用来生成各种多聚物纤维，纤维直径可以达到亚微米级。这种较稀薄的多聚物纤维可以形成性能更佳的织物，并且可显著提高织物的强度，这是因为在稀释过程中，高分子链间沿轴线的对齐性更好。然而，用这种方法将功能性材料（例如生物细胞）封装在纤维内却很困难，因为静电纺丝一般适用于制备纳米纤维，而细胞一般在微米尺度，并且静电纺丝的过程一般要求同种多聚物溶液，另外其所需的高压电场可能会对细胞造成损伤。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种海藻酸钙纤维及其制备方法，解决了静电纺丝制备纤维时，在纤维尺寸及制备工艺方面均不能封装功能性材料的缺点。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种海藻酸钙纤维，所述纤维为棒状、多孔状或棒状多孔复合结构的海藻酸钙水凝胶，所述纤维直径为10～500μm。

在本发明一个较佳实施例中，所述棒状或棒状多孔复合结构纤维的长度为50μm～5mm。

在本发明一个较佳实施例中，所述多孔状或棒状多孔复合结构纤维中孔洞的直径为5～500μm。

在本发明一个较佳实施例中，所述水凝胶由海藻酸钠溶液和氯化钙溶液混合发生凝胶化反应得到。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种海藻酸钙纤维的制备方法，包括以下步骤：

（1）配制油相或气相，海藻酸钠溶液以及氯化钙溶液，并将其按照内、中、外三相分别注入微流体装置的内相流体通道、中相流体通道和外相流体通道；

（2）调节步骤（1）中所述内相流体通道内的流体流速，使海藻酸钠溶液与氯化钙溶液发生凝胶化反应，生成预定结构的海藻酸钙纤维；

（3）对生成的纤维进行收集或洗涤，得到棒状多孔结构海藻酸钙纤维。

在本发明一个较佳实施例中，所述内相流体通道包括一个以上的不同直径的流体通道，所述步骤（1）中，将油相或气相注入其中一个内相流体通道；所述步骤（2）中，调节所述内相流体通道内的流体流速，使其大于所述中相流体通道内的流体流速，使形成的油滴或气泡充满整个中相流体通道的内壁，凝胶化反应生产的纤维被这些油滴或气泡隔断，生成棒状海藻酸钙纤维。

在本发明一个较佳实施例中，所述内相流体通道包括一个以上的不同直径的流体通道，所述步骤（1）中，将油相或气相注入其中一个内相流体通道；所述步骤（2）中，调节所述内相流体通道内的流体流速，使其小于所述中相流体通道内的流体流速，使形成的油滴或气泡充满海藻酸钠溶液，凝胶化反应生产的纤维可保持连续性，生成多孔状海藻酸钙纤维。

在本发明一个较佳实施例中，所述内相流体通道包括第一内相流体通道和第二内相流体通道，所述第二内相流体通道的直径小于所述第一内相流体通道的直径，所述步骤（1）中，将油相或气相注入第一内相流体通道和第二内相流体通道；所述步骤（2）中，调节所述第一内相流体通道和第二内相流体通道内的流体流速，使第一内相流体通道内的流体流速大于所述中相流体通道内的流体流速，同时使第二内相流体通道内的流体流速小于所述中相流体通道内的流体流速，使形成的油滴或气泡充满中相流体通道的内壁和海藻酸钠溶液，凝胶化反应生成具有多孔结构的棒状海藻酸钙纤维。

在本发明一个较佳实施例中，所述油相为甲基硅油或豆油；所述气相为空气或氧气；所述海藻酸钠水溶液的重量百分比为0.2~ 20%。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种棒状多孔结构海藻酸钙纤维的应用方法，将细胞或生物活性分子封装在上述纤维内，进行细胞粘附生长、细胞培养或药物输送。

本发明基于水动力学的作用，利用海藻酸钠与氯化钙反应生成海藻酸钙水凝胶的化学原理，通过设计微流体装置，使海藻酸钠溶液和氯化钙溶液混合发生凝胶化反应。通过调节内相流体的流速，在海藻酸钠溶液中分别注入可充满整个中相流通管B内壁的较大的油滴或气泡，可充满海藻酸钠溶液的较小的油滴或气泡和上述两种尺寸的混合油滴或气泡，进而生成被较大油滴或气泡隔断的棒状海藻酸钙纤维、内部含多孔状结构的连续多孔纤维和多孔结构的棒状纤维三种结构纤维。

本发明的有益效果是：本发明一种棒状多孔结构海藻酸钙纤维及其制备方法，相对于现有技术，其优点是：

（1）本发明棒状多孔结构海藻酸钙纤维的结构均匀并且尺寸可控，棒状纤维的长度、直径，多孔状纤维直径以及孔洞大小等均可以通过调节溶液的流速来控制，能够满足包埋功能性材料（例如生物细胞）时对纤维的尺寸要求；

（2）本发明的制备方法简单安全、成本较低、实验可重复性强；制备过程中不涉及静电纺丝技术中的高压电场，不会对细胞造成损伤，可以实现细胞封装；

（3）本发明棒状多孔海藻酸钙纤维的生物相容性好，可直接用于生物医学领域，如细胞培养、药物输送等方面。

附图说明

图1是本发明一种用于制备海藻酸钙纤维的微流体装置用于制备棒状海藻酸钙纤维的结构流程示意图；

图2是本发明一种用于制备海藻酸钙纤维的微流体装置用于制备多孔状海藻酸钙纤维的结构流程示意图；

图3是本发明一种用于制备海藻酸钙纤维的微流体装置用于制备棒状多孔复合结构海藻酸钙纤维的结构流程示意图；

附图中各部件的标记如下：1.流通管A，2.流通管B，3.流通管C，4.第一进液动力装置，5.第二进液动力装置，6.第三进液动力装置，7.油滴或气泡，8.棒状海藻酸钙纤维，9.连续多孔状海藻酸钙纤维，10.棒状多孔复合结构海藻酸钙纤维，11. 流通管D，12第四进液动力装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅附图，本发明实施例包括：

一种海藻酸钙纤维，其通过微流体方法，由海藻酸钠溶液和氯化钙溶液混合发生凝胶化反应得到，所述纤维为多孔状、棒状或棒状多孔复合结构海藻酸钙水凝胶，纤维直径为10～500μm；所述棒状或棒状多孔复合结构纤维的长度为50μm～5mm；多孔状或棒状多孔复合结构纤维中孔洞的直径为5～500μm。

一种用于制备海藻酸钙纤维的微流体装置，所述微流体装置包括流通管A，在所述流通管A的外面套有流通管B，在所述流通管B外又套有流通管C；所述流通管A形成第一内相流体的流通管道，所述流通管A的流出端口为尖头形，且所述流通管A的流出端口位于所述流通管B内；所述流通管B形成中相流体的流通管道，所述流通管B的流出端口为尖头形，且所述流通管B的流出端口位于所述流通管C内；所述流通管C形成外相流体的流通管道；所述微流体装置还包括一个流通管D，所述流通管D与所述流通管A相邻，并套装于所述流通管B中，所述流通管D形成第二内相流体的流通管道，所述流通管D的流出端口为尖头形，且所述流通管D的流出端口位于所述流通管B内；所述内、中、外三相流体的流向相同，所述流通管A、B、C和D的流入端口分别与第一进液动力装置4、第二进液动力装置5、第三进液动力装置6和第四进液动力装置12连通。

其中，所述流通管A的内径为所述流通管B内径的2/3；所述流通管A的直径大于所述流通管D的直径，所述流通管A和流通管D内的流体相同；所述流通管A、B、C、D均为玻璃管；所述进液动力装置包括进液泵和注射器连接针头，所述进液泵通过导管与所述注射器连接针头接通，所述注射器连接针头通过导管与所述流通管连通；所述内相流体为油相或气相；所述中相流体为海藻酸钠溶液；所述外相流体为氯化钙溶液。

一种海藻酸钙纤维的制备方法，包括以下步骤：

（1）配制油相或气相，海藻酸钠溶液以及氯化钙溶液，并将其按照内、中、外三相分别注入微流体装置的内相流体通道、中相流体通道和外相流体通道；

（2）调节步骤（1）中所述内相流体通道内的流体流速，使海藻酸钠溶液与氯化钙溶液发生凝胶化反应，生成预定结构的海藻酸钙纤维；

（3）对生成的纤维进行收集或洗涤，得到棒状多孔结构海藻酸钙纤维。

其中，所述步骤（1）中，将油相或气相注入其中一个内相流体通道；所述步骤（2）中，调节所述内相流体通道内的流体流速，使其大于所述中相流体通道内的流体流速，使形成的油滴或气泡充满整个中相流体通道的内壁，凝胶化反应生产的纤维被这些油滴或气泡隔断，生成棒状海藻酸钙纤维。

所述步骤（1）中，将油相或气相注入其中一个内相流体通道；所述步骤（2）中，调节所述内相流体通道内的流体流速，使其小于所述中相流体通道内的流体流速，使形成的油滴或气泡充满海藻酸钠溶液，凝胶化反应生产的纤维可保持连续性，生成多孔状海藻酸钙纤维。

所述内相流体通道包括第一内相流体通道和第二内相流体通道，所述第二内相流体通道的直径小于所述第一内相流体通道的直径，所述步骤（1）中，将油相或气相注入第一内相流体通道和第二内相流体通道；所述步骤（2）中，调节所述第一内相流体通道和第二内相流体通道内的流体流速，使第一内相流体通道内的流体流速大于所述中相流体通道内的流体流速，同时使第二内相流体通道内的流体流速小于所述中相流体通道内的流体流速，使形成的油滴或气泡充满中相流体通道的内壁和海藻酸钠溶液，凝胶化反应生成具有多孔结构的棒状海藻酸钙纤维。

所述油相为甲基硅油或豆油；所述气相为空气或氧气；所述海藻酸钠水溶液的重量百分比为0.2~ 20%。

一种海藻酸钙纤维的应用方法，将细胞或生物活性分子（如蛋白质等）包埋在上述方法制备的海藻酸钙纤维内，用于细胞粘附生长、细胞培养或药物输送。

实施例1

（1）海藻酸钠溶液与油滴混合状态的生成：按照图1所示，将玻璃管A、B、C分别用胶黏结在玻璃片上，然后将玻璃管A依次***玻璃管B和C中，使玻璃管A和B的尖头形端部均作为流出端，然后在胶没有完全干的情况下，在显微镜下调整玻璃管之间的位置，使得细管在粗管的正中间。通过第一进液动力装置中的泵1和10ml的注射器向A管中推注甲基硅油KF-96（50CS），通过第二进液动力装置中的泵2和2.5ml的注射器连接针头向B管内推注1wt%海藻酸钠溶液，通过第三进液动力装置中的泵3和10ml的注射器连接针头C管内推注2wt%的氯化钙溶液，并使A管相流速较大，在油水剪切力作用下生成较大的油滴并充满整个B管内壁，将海藻酸钠溶液隔断，经过与C中的氯化钙溶液反应后生成被油滴隔断的海藻酸钙纤维；

（2）玻璃管末端通入收集液，对生成的纤维进行收集，该收集液为40ml去离子水和6ml浓度为10wt%的氯化钙溶液的混合液；

（3）在吹打作用下，最终生成棒状海藻酸钙纤维。

实施例2

（1）海藻酸钠溶液与油滴混合状态的生成：按照图2所示，使用与实施例1中相同的装置。通过第一进液动力装置中的泵1和10ml的注射器连接针头向A管中推注体积比为9:1的甲基硅油KF-96（50CS）和表面活性剂F108（1wt%）的混合液，通过第二进液动力装置中的泵2和2.5ml的注射器连接针头向B管中推注2wt%海藻酸钠溶液，通过第三进液动力装置中的泵3和10ml的注射器连接针头向C管内推注2wt%的氯化钙溶液，并使A管相流速较小，在油水剪切力的作用下生成一个个较小的油滴充满海藻酸钠溶液，经过与外管中的氯化钙溶液反应后生成内部含有许多小油滴海藻酸钙纤维；

（2）玻璃管末端通入收集液，对生成的纤维进行收集，该收集液为40ml去离子水和6ml浓度为10wt%的氯化钙溶液的混合液；

（3）将上述含有油滴的纤维用正己烷清洗两遍，并在正己烷中浸泡三小时，再分别用无水乙醇和超纯水清洗两遍，可以在金相显微镜下观察到油滴已部分去除，重复上述洗涤过程两到三次，即可将纤维内部的油滴完全去除，从而制得多孔结构纤维。

实施例3 

（1）海藻酸钠溶液与油滴混合状态的生成：按照图3所示，在实施例1中所述装置的基础上，再在B管中增加一根内管D，并由通过第四进液动力装置中的泵4和1ml的注射器连接针头向D管中推注体积比为9:1的甲基硅油KF-96（50CS）和表面活性剂F108（1wt%）的混合液，通过控制A管和D管内液相的不同流速，可以使被大油滴隔断的海藻酸钠溶液中还充满小油滴，经过与外管中的氯化钙溶液反应后生成被油滴隔断的同时内部含有许多小油滴的海藻酸钙纤维；

（2）玻璃管末端通入收集液，对生成的纤维进行收集，该收集液为40ml去离子水和6ml浓度为10wt%的氯化钙溶液的混合液；

（3）在吹打作用下，生成内部含有很多小油滴的棒状纤维；

（4）将上述含有油滴的棒状纤维用正己烷清洗两遍，并在正己烷中浸泡三小时，再分别用无水乙醇和超纯水清洗两遍，可以在金相显微镜下观察到油滴已部分去除，重复上述洗涤过程两到三次，即可将纤维内部的油滴完全去除，从而制得棒状多孔复合结构纤维。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种海藻酸钙纤维，其特征在于，所述纤维为棒状、多孔状或棒状多孔复合结构的海藻酸钙水凝胶，所述纤维直径为10～500μm。

2.根据权利要求1所述的海藻酸钙纤维，其特征在于，所述棒状或棒状多孔复合结构纤维的长度为50μm～5mm。

3.根据权利要求1所述的海藻酸钙纤维，其特征在于，所述多孔状或棒状多孔复合结构纤维中孔洞的直径为5～500μm。

4.根据权利要求1所述的海藻酸钙纤维，其特征在于，所述水凝胶由海藻酸钠溶液和氯化钙溶液混合发生凝胶化反应得到。

5.一种如权利要求1至4之一所述的海藻酸钙纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）配制油相或气相，海藻酸钠溶液以及氯化钙溶液，并将其按照内、中、外三相分别注入微流体装置的内相流体通道、中相流体通道和外相流体通道；

（2）调节步骤（1）中所述内相流体通道内的流体流速，使海藻酸钠溶液与氯化钙溶液发生凝胶化反应，生成预定结构的海藻酸钙纤维；

（3）对生成的纤维进行收集或洗涤，得到棒状多孔结构海藻酸钙纤维。

6.根据权利要求5所述的海藻酸钙纤维的制备方法，其特征在于，所述内相流体通道包括一个以上的不同直径的流体通道，所述步骤（1）中，将油相或气相注入其中一个内相流体通道；所述步骤（2）中，调节所述内相流体通道内的流体流速，使其大于所述中相流体通道内的流体流速，使形成的油滴或气泡充满整个中相流体通道的内壁，凝胶化反应生产的纤维被这些油滴或气泡隔断，生成棒状海藻酸钙纤维。

7.根据权利要求5所述的海藻酸钙纤维的制备方法，其特征在于，所述内相流体通道包括一个以上的不同直径的流体通道，所述步骤（1）中，将油相或气相注入其中一个内相流体通道；所述步骤（2）中，调节所述内相流体通道内的流体流速，使其小于所述中相流体通道内的流体流速，使形成的油滴或气泡充满海藻酸钠溶液，凝胶化反应生产的纤维可保持连续性，生成多孔状海藻酸钙纤维。

8.根据权利要求5所述的海藻酸钙纤维的制备方法，其特征在于，所述内相流体通道包括第一内相流体通道和第二内相流体通道，所述第二内相流体通道的直径小于所述第一内相流体通道的直径，所述步骤（1）中，将油相或气相注入第一内相流体通道和第二内相流体通道；所述步骤（2）中，调节所述第一内相流体通道和第二内相流体通道内的流体流速，使第一内相流体通道内的流体流速大于所述中相流体通道内的流体流速，同时使第二内相流体通道内的流体流速小于所述中相流体通道内的流体流速，使形成的油滴或气泡充满中相流体通道的内壁和海藻酸钠溶液，凝胶化反应生成具有多孔结构的棒状海藻酸钙纤维。

9.根据权利要求5所述的棒状多孔结构海藻酸钙纤维的制备方法，其特征在于，所述油相为甲基硅油或豆油；所述气相为空气或氧气；所述海藻酸钠水溶液的重量百分比为0.2~ 20%。

10.一种如权利要求1至4之一所述的棒状多孔结构海藻酸钙纤维的应用方法，其特征在于，将细胞或生物活性分子封装在如权利要求1至4之一所述的纤维内，进行细胞粘附生长、细胞培养或药物输送。

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