CN106220867A

CN106220867A - 一种负电性几丁质纳米纤维水凝胶及气凝胶的制备方法

Info

Publication number: CN106220867A
Application number: CN201610630545.XA
Authority: CN
Inventors: 范民; 范一民; 刘亮; 王蓉; 蒋杰; 郑可; 王志国
Original assignee: Nanjing Forestry University
Current assignee: Nanjing Forestry University
Priority date: 2016-08-04
Filing date: 2016-08-04
Publication date: 2016-12-14

Abstract

本发明公开了一种负电性几丁质纳米纤维水凝胶的制备方法，包括：1）取几丁质原料进行预处理，获得几丁质浆料；2）步骤1）得到的几丁质浆料经2,2,6,6‑四甲基哌啶‑氮‑氧化物触媒氧化体系处理，获得TEMPO氧化负电性几丁质；3）步骤2）得到的负电性几丁质在弱碱性水溶液或者水中经机械处理制备得到负电性几丁质纳米纤维分散液；4）步骤3）得到的负电性几丁质纳米纤维分散液经酸性凝固浴或酸性蒸汽浴处理制备得到物理交联的负电性几丁质纳米纤维水凝胶。本发明的负电性几丁质纳米纤维水凝胶、气凝胶的制备方法，方法简单且可操作性强，可低成本的实现水凝胶制备；所制备的几丁质纳米纤维水凝胶、气凝胶材料具有形态好，浓度低，强度高的优点。

Description

一种负电性几丁质纳米纤维水凝胶及气凝胶的制备方法

技术领域

本发明涉及几丁质的应用技术领域，具体涉及一种负电性几丁质纳米纤维水凝胶及气凝胶的制备方法。

背景技术

几丁质是一类结构类似于纤维素的氨基多糖生物聚合物。1963年，Rudall根据X-射线衍射光谱得到的结果，提出了几丁质存在着α、β、γ三种晶型。这三种晶型是由分子内和分子间不同的氢键作用而形成的。其中，α-几丁质大部分存在于甲壳类生物的外壳中，如虾壳、螃蟹壳等；β-几丁质则主要存在于鱿鱼顶骨、管虫、硅藻等生物中。在工业加工过程中，几丁质主要通过酸处理和碱处理脱去碳酸钙和蛋白质得到。几丁质具有极其广泛的应用价值，如：护肤品、组织工程、生物医学敷料、牙科、水处理工程、药物载体等领域。结合其特殊生物来源、高结晶度、物理强度、良好的生物兼容性、以及能够分散为纳米纤维的性质，几丁质已经发展成为新的高功能材料并受到了广泛的关注。

目前几丁质纳米纤维基水凝胶、气凝胶方面的专利较少。专利CN103357059A公开了一种几丁质凝胶创可贴及其制备方法，该方法主要采用几丁质、聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠、聚维酮、明胶、甘羟铝、甘油、纯化水及醋酸按比例混合，制备出具有消炎杀菌、加速伤口愈合的创可贴材料。专利CN102942660B公开了一种天然生物交联的纳米复合三维凝胶支架及其制备方法，该方法主要采用丙烯酰胺类单体、无机纳米粘土、含有氨基、羧基或者羟基功能基团的生物高分子（包括几丁质）和生物交联剂京尼平按比例混合制备出可用于医用移植、药物释放和细胞培养的生物支架材料。在现有文章著作方面，Chuchu Chen等人利用真空抽滤的方法在氯化钙/甲醇体系中制备出几丁质纳米纤维水凝胶及气凝胶材料，结果发现在湿态条件下几丁质纳米纤维凝胶表现出良好的机械性能。Changyu Chang等人利用碱脲体系溶解几丁质，并且进一步制备出表氯醇交联的几丁质化学水凝胶材料，实验发现几丁质水凝胶不仅具有机械强度高、孔隙均一的特点且对293T细胞具有良好的生物相容性和无毒无害性，在生物支架方面具有良好的应用前景。

以上专利公开的几丁质凝胶材料虽然原料中含有几丁质但是并没有制备纯的负电性的几丁质纳米纤维凝胶材料，且现有文章中几丁质纳米纤维水凝胶的制备步骤复杂、耗能大且没有超低浓度(<0.6%)条件下的物理凝胶制备报道。

发明内容

发明目的：针对几丁质纳米纤维应用方面的探索，本发明目的是提供一种负电性几丁质纳米纤维水凝胶的制备方法。主要解决如何使超低浓度（<0.6%）的负电性几丁质纳米纤维分散液凝胶化难题，不需通过化学交联等复杂过程，在没加任何别的高分子化合物的情况下制备出机械强度较高的物理水凝胶。本发明的另一目的是提供一种负电性几丁质纳米纤维气凝胶的制备方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种负电性几丁质纳米纤维水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

1）取几丁质原料进行预处理，获得几丁质浆料；

2）步骤1）得到的几丁质浆料经2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物（TEMPO）触媒氧化体系（TEMPO/NaBr/NaClO）处理，获得TEMPO氧化负电性几丁质；

3）步骤2）得到的负电性几丁质在pH 5-10的溶液中经机械处理制备得到负电性几丁质纳米纤维分散液；

4）步骤3）得到的负电性几丁质纳米纤维分散液经酸性凝固浴或酸性蒸汽浴处理制备得到物理交联的负电性几丁质纳米纤维水凝胶。

步骤1）中，所述几丁质原料包含有虾壳、蟹壳。

步骤2）中，2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物触媒氧化体系为：相对于几丁质干重，TEMPO添加量为0.05-0.5 mmol/g，NaBr添加量为0.5-5 mmol/g，NaClO添加量为 2-8 mmol/g几丁质，pH为10。

步骤3）中，所述的溶液为弱碱性水溶液或水。

步骤4）中，酸性凝固浴包括醋酸凝固浴，盐酸凝固浴等。

步骤4）中，酸性蒸汽浴包括醋酸蒸汽浴，盐酸蒸汽浴等。

步骤4）中，酸性凝固浴及蒸汽浴处理时间为6 -120h。

一种负电性几丁质纳米纤维气凝胶的制备方法，由制备得到的负电性几丁质纳米纤维水凝胶经干燥脱水后得到。

所述干燥方法为冷冻干燥、超临界干燥等。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1）本发明的负电性几丁质纳米纤维水凝胶、气凝胶的制备方法，方法简单且可操作性强，可低成本的实现水凝胶制备；

2）所制备的几丁质纳米纤维水凝胶、气凝胶材料具有形态好，浓度低，强度高的优点。

3）该方法没有使用任何有毒化学品，制备出的几丁质纳米纤维水凝胶、气凝胶材料不仅具有负电特性而且具有生物相容且无毒无害的优点，在生物医药方面具有良好的应用前景。可高效利用生物质资源，拓宽生物质的用途，提高其使用价值，为高效利用生物质资源提供新的思路和途径。

4）本发明利用简便易得且成本低廉的蒸汽凝固浴，凝胶制备过程简单高效，且能在低浓度条件下成功制备网络结构丰富的物理凝胶材料，为几丁质纳米纤维的应用提供了新思路、新方法。

5）采用新型的蒸汽凝固浴制备几丁质纳米纤维凝胶材料，操作简单高效，且制备出的几丁质纳米纤维水凝胶材料网络结构丰富、强度高，水凝胶的负电特性提高了凝胶的反应活性及生物活性。

附图说明

图1是负电性几丁质纳米纤维检测结果图；其中，左图为TEMPO氧化负电性几丁质纳米纤维分散液数码照片，右图为负电性几丁质纳米纤维透射电镜图；

图2是负电性几丁质纳米纤维水凝胶数码图；

图3负电性几丁质纳米纤维气凝胶检测结果图；其中，左图为负电性几丁质纳米纤维气凝胶数码照片，右图为负电性几丁质纳米纤维气凝胶扫描电镜图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步的阐述。实施例是为说明而非限制本发明。本领域中任何普通技术人员能够理解这些实施例不以任何方式限制本发明，可做适当的修改而不违背本发明的实质和偏离本发明的范围。

实施例1 几丁质浆料的制备

取螃蟹壳原料，洗净并切成碎片，将切碎后的原料经1 M氢氧化钠与1 M盐酸交替处理12h，处理三个循环去除蟹壳中的蛋白和钙质，再以0.5% NaClO₂溶液漂白脱除蟹壳中的色素。漂白完成后，用蒸馏水将漂白蟹壳洗至中性，置于4℃冰箱中保存。用粉碎机将漂白螃蟹壳碎片粉碎成浆状，得到纯化后的几丁质浆料。

实施例2 TEMPO氧化几丁质以及负电性几丁质纳米纤维分散液的制备

称取0.016g TEMPO，0.1g NaBr，1g干重的纯化几丁质分别加入200mL烧杯中搅拌溶解。分散均匀后向体系加入5mL几丁质的5%有效氯的NaClO溶液开始氧化，室温下用pH滴定***向体系中滴加0.5M NaOH将pH维持的10，当体系不再消耗NaOH时，加入几滴乙醇终止反应，用0.5M HCl将溶液pH调至7，12000转5 min重复离心洗涤至中性，倾注法去除上清液，得到水不溶部分，得到的水不溶部分为TEMPO氧化几丁质。用蒸馏水以固液比1:100的比例将上述制备得到的TEMPO氧化几丁质分散均一，并进一步进行匀浆超声处理，最终离心取上清液得到负电特性的几丁质纳米纤维分散液。TEMPO氧化负电性几丁质纳米纤维分散液数码照片及几丁质纳米纤维透射电镜图如图1所示（左：分散液数码照片，右：纳米纤维透射电镜图），图1表明，几丁质纳米纤维分散液透光性良好，截面宽5-50nm的几丁质纳米纤维稳定存在于分散液体系中，且具备负值的zeta-电位，证明了几丁质纳米纤维的负电性特征，同时也是保持几丁质纳米纤维稳定分散的因素之一，因此，TEMPO氧化负电性几丁质纳米纤维分散液具有良好的透光度与稳定性。

实施例3 以氢氧化钠为弱碱性介质制备负电性几丁质纳米纤维分散液

称取0.016g TEMPO，0.1 g NaBr，1g干重的纯化几丁质分别加入200mL烧杯中搅拌溶解。分散均匀后向体系加入5mL几丁质的5%有效氯的NaClO溶液开始氧化，室温下用pH滴定***向体系中滴加0.5M NaOH将pH维持10，当体系不再消耗NaOH时，加入几滴乙醇终止反应，用0.5M HCl将溶液pH调至7，1200转5min重复离心洗涤至中性，倾注法去除上清液，得到水不溶部分得到的水不溶部分为TEMPO氧化几丁质。用蒸馏水以固液比1:100的比例将上述制备得到的TEMPO氧化几丁质分散均一，以0.5 M的氢氧化钠溶液调节溶液pH至9左右，并进一步进行匀浆超声处理，最终离心取上清液得到以氢氧化钠分散的具有负电特性的几丁质纳米纤维分散液。

实施例4 以盐酸为凝固浴制备负电性几丁质纳米纤维水凝胶

配置0.6% 的负电性几丁质纳米纤维分散液，取20 mL负电性几丁质纳米纤维分散液置于50 mL烧杯中，另取250 mL烧杯放置20 g 5 M的盐酸溶液，将小烧杯放置于大烧杯中以保鲜袋封口，处理12 h后取出小烧杯，制备得到均一且透光良好的负电性几丁质纳米纤维水凝胶。负电性几丁质纳米纤维水凝胶数码照片如图2所示，图2左表明几丁质纳米纤维水凝胶具备良好的自立性和机械强度，图2右表明几丁质纳米纤维水凝胶具备较好的透光性，因此，TEMPO氧化负电性几丁质纳米纤维水凝胶具有较好的透光性和良好的机械强度。

实施例5 以醋酸凝固浴制备负电性几丁质纳米纤维水凝胶

配置0.6% 的负电性几丁质纳米纤维分散液，取20 mL负电性几丁质纳米纤维分散液置于50 mL烧杯中，另取250 mL烧杯放置20 g 5 M的醋酸溶液，将小烧杯放置于大烧杯中以保鲜袋封口，处理12 h后取出小烧杯，制备得到均一且透光良好的负电性几丁质纳米纤维水凝胶。

实施例6 以盐酸蒸气浴制备0.2%浓度的几丁质纳米纤维水凝胶

配置5M盐酸溶液和0.2%的负电性几丁质纳米纤维分散液，取20mL负电性几丁质纳米纤维分散液置于50mL烧杯中，另取250mL烧杯倒入20mL上述配置盐酸溶液，将小烧杯放置于大烧杯中以保鲜膜封口，处理24h后取出小烧杯，制备得到均一且透光良好的负电性几丁质纳米纤维水凝胶。

实施例7 以盐酸蒸气浴制备0.5%浓度的几丁质纳米纤维水凝胶

配置5 M盐酸溶液和0.5%的负电性几丁质纳米纤维分散液，取20mL负电性几丁质纳米纤维分散液置于50 mL烧杯中，另取250 mL烧杯倒入20 mL上述配置盐酸溶液，将小烧杯放置于大烧杯中以保鲜膜封口，处理24h后取出小烧杯，制备得到均一且透光良好的负电性几丁质纳米纤维水凝胶。

实施例8 以盐酸蒸气浴制备2.0%浓度的几丁质纳米纤维水凝胶

配置5M盐酸溶液和2.0% 的负电性几丁质纳米纤维分散液，取20 mL负电性几丁质纳米纤维分散液置于50mL烧杯中，另取250mL烧杯倒入20mL上述配置盐酸溶液，将小烧杯放置于大烧杯中以保鲜膜封口，处理24h后取出小烧杯，制备得到均一且透光良好的负电性几丁质纳米纤维水凝胶。

实施例9 以冷冻干燥为干燥方法制备几丁质纳米纤维气凝胶

将制取的几丁质纳米纤维物理水凝胶以液氮速冻，并冷冻干燥3天，制备得到几丁质纳米纤维气凝胶。负电性几丁质纳米纤维气凝胶数码照片，如图3左所示，负电性几丁质纳米纤维气凝胶扫描电镜图，如图3右所示，图3表明TEMPO氧化负电性几丁质纳米纤维气凝胶具有丰富的纤维网络结构且气凝胶具有质轻高强的特点。

虽然本发明已按照上述具体实施方式做了描述，但是本发明的发明思想并不仅限于此发明，任何运用本发明思想的改装，都将纳入本专利专利权保护范围内。

Claims

1.一种负电性几丁质纳米纤维水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）取几丁质原料进行预处理，获得几丁质浆料；

2）步骤1）得到的几丁质浆料经2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物触媒氧化体系处理，获得负电性几丁质；

2.根据权利要求1所述的制备负电性几丁质纳米纤维水凝胶及气凝胶的方法，其特征在于：步骤1）中，所述几丁质原料包含有虾壳、蟹壳。

3.根据权利要求1所述的制备负电性几丁质纳米纤维水凝胶及气凝胶的方法，其特征在于：步骤2）中，2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物触媒氧化体系为：相对于几丁质干重，TEMPO添加量为0.05-0.5 mmol/g，NaBr添加量为0.5-5 mmol/g，NaClO添加量为 2-8 mmol/g几丁质，pH为10。

4.根据权利要求1所述的制备负电性几丁质纳米纤维水凝胶及气凝胶的方法，其特征在于：步骤3）中，所述的溶液为弱碱性水溶液或水。

5.根据权利要求1所述的制备负电性几丁质纳米纤维水凝胶及气凝胶的方法，其特征在于：步骤4）中，酸性凝固浴包括醋酸凝固浴，盐酸凝固浴。

6.根据权利要求1所述的制备负电性几丁质纳米纤维水凝胶及气凝胶的方法，其特征在于：步骤4）中，酸性蒸汽浴包括醋酸蒸汽浴，盐酸蒸汽浴。

7.根据权利要求1所述的制备负电性几丁质纳米纤维水凝胶及气凝胶的方法，其特征在于：步骤4）中，酸性凝固浴及蒸汽浴处理时间为6 -120h。

8.一种负电性几丁质纳米纤维气凝胶的制备方法，其特征在于，由权利要求1制备得到的负电性几丁质纳米纤维水凝胶经干燥脱水后得到。

9.根据权利要求8所述的负电性几丁质纳米纤维气凝胶的制备方法，其特征在于：所述干燥方法为冷冻干燥、超临界干燥。