CN109267240A - 一种医用敷料用壳聚糖/海藻酸钙无针静电纺纳米纤维膜及其制备方法 - Google Patents

一种医用敷料用壳聚糖/海藻酸钙无针静电纺纳米纤维膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种医用敷料用壳聚糖/海藻酸钙无针静电纺纳米纤维膜及其制备方法，属于天然生物高分子材料领域。将壳聚糖与PEO(或PVP)溶液、海藻酸钠溶液与PEO(或PVP)溶液分别放置于静电纺丝溶液盒的两侧，使两种溶液在喷丝头处汇合，并在静电纺溶剂挥发的过程中，使海藻酸钠、壳聚糖进行聚电解质自交联，获得一种自交联壳聚糖/海藻酸钠组成的聚电解质静电纺纳米纤维复合膜，并采用氯化钙交联的方法对纳米复合膜进行交联，使海藻酸钠与二价钙离子交换生成海藻酸钙，获得主要成分为海藻酸钙‑壳聚糖复合纳米纤膜。本发明通过静电力作用及氯化钙交联协同作用，提高了材料的力学性能及使用性能，充分发挥壳聚糖、海藻酸钙的生物相容性。

Description

一种医用敷料用壳聚糖/海藻酸钙无针静电纺纳米纤维膜及 其制备方法
技术领域
本发明属于天然生物高分子材料技术领域，涉及一种海藻酸钙/壳聚糖纳米级医用敷料及其制备方法。
背景技术
纳米纤维由于其具有非常高的体积-表面比，在组织工程、药物释放、医用敷料等领域具有较高的利用价值。静电纺丝技术是制备纳米纤维简单而有效的方法。敷料吸收创面渗出液同时和创面发生粘连，造成揭除时损伤新生组织，给患者带来了极大的痛苦。而纳米纤维膜制成的医用敷料有利于伤口渗出液的蒸发，有利于氧气透过，也有利于创面组织的生长和再生，从而可加速伤口的愈合，近年来，将纳米纤维无纺布用于医用敷料已越来越广泛。
壳聚糖是甲壳素经脱乙酰基处理后的产物，是自然界中存在的天然碱性多糖，它是一种环境友好型天然高分子。壳聚糖具有无毒无害、生物相容性、生物可降解性等优点，还具有抗癌性、抗菌性、止血性、增强人体免疫能力等诸多优异生理性能，广泛地应用于组织工程、药物载体材料以及伤口敷料等方面。海藻酸钠是一种存在于褐藻中的天然高分子材料，它是由古洛糖醛酸(G段)和甘露糖醛酸(M段)无规交替键接形成的线性高分子。海藻酸钠由于其良好的生物形容性以及无毒、易生物降解等特性而用于食品、医药、日用化工等领域。海藻酸钠中甘露糖醛酸和古洛糖醛酸单元上带负电的羧酸基团可以和壳聚糖上带正电的氨基通过静电作用形成聚电解质复合物，聚电解质的静电作用可以提高材料的使用性能。而且，两者通过聚电解质复合物之后依然保留了壳聚糖和海藻酸钠的独特生物相容性和生物降解性。
中国发明专利CN 104069536 A，一种海藻酸钠-壳聚糖纳米级医用敷料的制备方法。采用静电纺丝的方法，以海藻酸钠作为纺丝液，含有交联剂的壳聚糖溶液作为接收液，将喷丝头中海藻酸钠纤维在壳聚糖溶液中接收。壳聚糖的电解质属性使其通过静电作用吸附于海藻酸钠纤维，使纤维发生交联。该方法在一定程度上提高了材料的力学性能。但是，这种方法，壳聚糖作为凝固浴使用效率不高，因此，需要开发一种新的壳聚糖/海藻酸钙无针纳米纤维膜及其制备方法。
发明内容
为了充分发挥壳聚糖、海藻酸钠原料在医用敷料上的应用，采用无针静电纺丝技术，将壳聚糖/聚环氧乙烷(PEO)复合溶液或者壳聚糖/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)复合溶液、海藻酸钠/PEO复合溶液或者海藻酸钠/PVP复合溶液分别放置于静电纺丝溶液盒的两侧，使两种溶液在喷丝头处汇合，并在静电纺溶剂挥发的过程中，使海藻酸钠、壳聚糖进行聚电解质自交联，获得一种自交联壳聚糖/海藻酸钠/PEO或者壳聚糖/海藻酸钠/PVP组成的聚电解质静电纺纳米纤维复合膜。同时，为了进一步提升材料的使用性能，采用氯化钙交联的方法对纳米复合膜进行交联，使溶于水的海藻酸钠与二价钙离子交换生成不溶于水的海藻酸钙，获得海藻酸钙-壳聚糖复合纳米纤膜。本发明制备的材料强力高，使用性能好，充分发挥壳聚糖、海藻酸钙的生物相容性。
本发明提供一种医用敷料用壳聚糖/海藻酸钙无针静电纺纳米纤维膜的制备方法，具体实施步骤如下：
(1)将1wt％～5wt％的海藻酸钠水溶液与5wt～10wt％的PEO水溶液或PVP水溶液以体积比为1:9～5:5混合均匀，获得海藻酸钠/PEO复合溶液或海藻酸钠/PVP复合溶液；
(2)将1wt％～5wt％的壳聚糖酸溶液与5wt～10wt％的PEO水溶液或PVP水溶液以体积比为1:9～5:5混合均匀，获得壳聚糖/PEO复合溶液或者壳聚糖/PVP复合溶液；
(3)将步骤(1)获得的海藻酸钠/PEO复合溶液或者海藻酸钠/PVP复合溶液与步骤(2)获得的壳聚糖/PEO复合溶液或者壳聚糖/PVP复合溶液进行无针静电纺丝，即可获得壳聚糖/海藻酸钠/PEO静电纺纳米纤维复合膜或者壳聚糖/海藻酸钠/PVP静电纺纳米纤维复合膜；
(4)将步骤(3)获得的壳聚糖/海藻酸钠/PEO静电纺纳米纤维复合膜或者壳聚糖/海藻酸钠/PVP静电纺纳米纤维复合膜置于3wt～6wt％的CaCl2乙醇溶液中交联20min～30min，获得壳聚糖/海藻酸钙静电纺纳米纤维复合膜，其主要成分为壳聚糖/海藻酸钙。
作为优选的技术方案，步骤(2)中，壳聚糖酸溶液的制备方法如下：将壳聚糖溶解于50wt％乙酸水溶液中，配制成1wt％～5wt％的溶液。
作为优选的技术方案，步骤(3)中，无针静电纺丝的条件为：溶液盒中复合溶液中海藻酸钠水溶液、壳聚糖酸溶液与PEO水溶液或者PVP水溶液三种溶液体积比为10～25：10～25：50～80，纺丝电压为60～80kV，溶液盒速度80～150mm/s，纺丝时间20分钟以上。
作为优选的技术方案，步骤(3)中，无针静电纺丝的条件为：溶液盒中复合溶液中海藻酸钠水溶液、壳聚糖酸溶液与PEO水溶液或者PVP水溶液三种溶液体积比为10～25：10～25：50～80，纺丝电压为60～80kV，溶液盒速度80～150mm/s，纺丝时间20分钟～4小时。
作为优选的技术方案，步骤(3)中，将步骤(1)获得的海藻酸钠/PEO复合溶液或者海藻酸钠/PVP复合溶液与步骤(2)获得的壳聚糖/PEO复合溶液或者壳聚糖/PVP复合溶液利用无针静电纺设备进行无针静电纺丝，即可获得壳聚糖/海藻酸钠/PEO静电纺纳米纤维复合膜或者壳聚糖/海藻酸钠/PVP静电纺纳米纤维复合膜。
本发明还涉及保护利用上述制备方法获得的医用敷料用壳聚糖/海藻酸钙无针静电纺纳米纤维膜。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明所制备的复合聚电解质膜，由无针静电纺设备制备。无针静电纺加工效率高，可工业化生产。
2、本发明所制备的复合聚电解质膜，纳米纤维膜厚度均匀可控，微孔结构可以防止敷料表面与伤口的粘连。
3、本发明所制备的纳米复合膜，不使用有毒交联剂，通过静电力作用及氯化钙交联协同，提高了材料的使用性能，避免了交联剂的使用在医用领域可能引起安全及其他副作用。
4、海藻酸钙中含有大量的钙离子，可以和血液中的钠离子交换，使藻酸盐转变成凝胶，凝胶可提供伤口湿润的愈合环境，促进细胞增生，从而起到良好的止血效果，促进伤口愈合。壳聚糖与海藻酸钠的静电作用，弥补了海藻酸钙变成水溶性的海藻酸钠后引起材料力学性能及使用性能的下降。
附图说明
图1为无针静电纺原理示意图；
无针静电纺丝是利用高压电场在自由液体表面直接形成喷射流的纺丝方法。溶液盒中纺丝溶液在电极丝上往复移动,在高压电场下，电极丝上自由液体表面直接形成喷射流并纺丝。
图2为实施例1获得的纳米纤维膜的SEM照片；其中(a)为交联前，(b)为交联后。
图3为实施例1获得的纳米纤维膜交联前后耐水性变化。其中，(a)未交联0min、(b)交联0min、(c)未交联10min、(d)交联10min、(e)未交联30min、(f)交联30min、(g)未交联40min、(h)交联24h。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
本发明实施例选用以下材料：
壳聚糖：脱乙酰度85-90％，粘度10g/L，20℃条件下，50-500mpa·s的壳聚糖粉末；
本发明以下实施例测试方法及其设备：
扫描电镜(SEM)：超高分辨热场发射扫描电镜JSM-780DF，日本电子JEDL；
无针静电纺设备：纳米蜘蛛丝静电纺丝机，捷克ELMARCO公司；
强力测试设备：LLY-06E型电子单纤维强力仪，莱州市电子仪器有限公司。测试样品制作过程：剪裁长5cm，宽2mm的试样。在温度为20℃，湿度为65％条件下测试，每个试样测三次，取平均值；
厚度测试设备：YG141LA型数字式织物厚度仪，莱州市电子仪器有限公司。用YG141LA型数字式织物厚度仪测定膜的厚度，每种膜至少测定3个数据，取其平均值，结果精确到0.001mm；
膜的拉伸强度计算公式如下：
σ＝F/(100×H×d)
式中：σ：拉伸断裂强度，MPa；F：试样断裂时的拉力，cN；H：试样的宽度，mm；d：试样厚度，mm。
实施例1
将海藻酸钠直接溶解于去离子水中，配制成1wt％的溶液，在80℃搅拌直至溶液透明；将壳聚糖直接溶解于50wt％乙酸溶液中水中，配制成1.5wt％的溶液，在室温下搅拌直至溶液透明；将PEO溶解于去离子水中，配制成8wt％溶液，在室温下搅拌直至溶液透明；将海藻酸钠水溶液与PEO水溶液以体积比2：8比例混合，搅拌10小时，获得均匀的海藻酸钠/PEO溶液；将壳聚糖酸溶液与PEO水溶液以体积比5：5比例混合，搅拌10小时，获得均匀壳聚糖/PEO溶液；将壳聚糖/PEO溶液与海藻酸钠/PEO溶液分别放于无针静电纺(图1所示)溶液盒的左右两侧(此时,溶液盒中复合溶液中海藻酸钠水溶液、壳聚糖酸溶液、PEO水溶液三种溶液体积比为10：25：65，在纺丝电压为60kV，溶液盒速度80mm/s，纺丝时间25分钟，可获得厚度均匀的自交联壳聚糖/海藻酸钠/PEO静电纺纳米纤维复合膜，电镜照片如图2(a)所示，纤维直径150-200mm左右，膜厚度0.025mm，膜拉伸强力为0.516MPa，4cm×4cm大小的膜重量为0.089g。再将壳聚糖/海藻酸钠/PEO静电纺纳米纤维复合膜放于金属网支架上，在交联剂为5％CaCl2乙醇溶液中交联30min，80℃干燥后，获得静电纺纳米纤维复合膜，电镜照片如图2(b)所示，其主要成分为壳聚糖/海藻酸钙，纳米纤维之间发生了交联，有微孔，膜厚度为0.106mm，4cm×4cm大小的膜重0.092g，膜拉伸强力为0.712MPa。
将交联前交联后纳米纤维膜放置于去离子水中，间隔10min，30min,40min,24h观察纳米纤维膜交联前后耐水性变化，通过照片记录样品的亲水性变化，实验结果如图3所示。其中，(a)未交联0min、(b)交联0min、(c)未交联10min、(d)交联10min、(e)未交联30min、(f)交联30min、(g)未交联40min、(h)交联24h。实验结果表明，交联后的样品在去离子水中24小时后，仍保持原有样品形态尺寸，而未交联样品30-40min后，膜完全溶于水中。交联样品的耐水性远远好于未交联后样品。
实施例2
将海藻酸钠直接溶解于去离子水中，配制成1.5wt％的溶液，在80℃下搅拌直至溶液透明；将壳聚糖直接溶解于50wt％乙酸溶液中水中，配制成2wt％的溶液，在室温下搅拌直至溶液透明；将PVP溶解于去离子水中，配制成10wt％溶液，在室温下搅拌直至溶液透明；将海藻酸钠水溶液与PVP水溶液以体积比5：5比例混合，搅拌10小时，获得均匀的海藻酸钠/PVP溶液；将壳聚糖酸溶液与PVP水溶液以体积比3：7比例混合，搅拌10小时，获得均匀壳聚糖/PVP溶液；将壳聚糖/PVP溶液与海藻酸钠/PVP溶液分别放于无针静电纺(图1所示)溶液盒的左右两侧(此时,溶液盒中复合溶液中海藻酸钠水溶液、壳聚糖酸溶液、PVP水溶液三种溶液体积比为25：15：60，在纺丝电压为80kV，溶液盒速度100mm/s，纺丝时间30分钟，可获得厚度均匀的自交联壳聚糖/海藻酸钠/PVP静电纺纳米纤维复合膜，纳米纤维直径150-200mm左右,膜厚度为0.109mm，膜强力为0.635MPa。将静电纺纳米纤维/PVP静电纺纳米纤维复合膜放于金属网支架上,放于交联剂为3％CaCl2乙醇溶液中交联30min，获得静电纺纳米纤维复合膜，其主要成分为壳聚糖/海藻酸钙，80℃干燥后，膜厚度为0.110mm，膜强力为0.748MPa。
实施例3
将海藻酸钠直接溶解于去离子水中，配制成2wt％的溶液，在80℃搅拌直至溶液透明；将壳聚糖直接溶解于50wt％乙酸溶液中水中，配制成1.5wt％的溶液，在室温下搅拌直至溶液透明；将PEO溶解于去离子水中，配制成8wt％溶液，在室温下搅拌直至溶液透明；将海藻酸钠水溶液与PEO水溶液以体积比1：9比例混合，搅拌10小时，获得均匀的海藻酸钠/PEO溶液；将壳聚糖酸溶液与PEO水溶液以体积比1：9比例混合，搅拌10小时，获得均匀壳聚糖/PEO溶液；将壳聚糖/PEO溶液与海藻酸钠/PEO溶液分别放于无针静电纺溶液盒的左右两侧(此时,溶液盒中复合溶液中海藻酸钠水溶液、壳聚糖酸溶液、PEO水溶液三种溶液体积比为10：10：80)，在纺丝电压为80kV，溶液盒速度80mm/s，纺丝时间50分钟，可获得厚度均匀的自交联壳聚糖/海藻酸钠/PEO静电纺纳米纤维复合膜，纳米纤维直径150-200mm左右，膜厚度为0.116mm，膜强力为0.726MPa。再将壳聚糖/海藻酸钠/PEO静电纺纳米纤维复合膜放于金属网支架上，在交联剂为5％CaCl2乙醇溶液中交联30min，获得静电纺纳米纤维复合膜，其主要成分为壳聚糖/海藻酸钙，80℃干燥后，膜厚度为0.115mm，膜强力为0.844MPa。

Claims (4)

1.一种医用敷料用壳聚糖/海藻酸钙无针静电纺纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将1wt％～5wt％的海藻酸钠水溶液与5～10wt％的聚环氧乙烷水溶液或聚乙烯吡咯烷酮水溶液以体积比为1:9～5:5混合均匀，获得海藻酸钠/聚环氧乙烷复合溶液或海藻酸钠/聚乙烯吡咯烷酮复合溶液；
(2)将1wt％～5wt％的壳聚糖酸溶液与5～10wt％的聚环氧乙烷水溶液或聚乙烯吡咯烷酮水溶液以体积比为1:9～5:5混合均匀，获得壳聚糖/聚环氧乙烷复合溶液或者壳聚糖/聚乙烯吡咯烷酮复合溶液；
(3)将步骤(1)获得的海藻酸钠/聚环氧乙烷复合溶液或者海藻酸钠/聚乙烯吡咯烷酮复合溶液与步骤(2)获得的壳聚糖/聚环氧乙烷复合溶液或者壳聚糖/聚乙烯吡咯烷酮复合溶液进行无针静电纺丝，即可获得壳聚糖/海藻酸钠/聚环氧乙烷静电纺纳米纤维复合膜或者壳聚糖/海藻酸钠/聚乙烯吡咯烷酮静电纺纳米纤维复合膜；
(4)将步骤(3)获得的壳聚糖/海藻酸钠/聚环氧乙烷静电纺纳米纤维复合膜或者壳聚糖/海藻酸钠/聚乙烯吡咯烷酮静电纺纳米纤维复合膜置于3wt～6wt％的CaCl2乙醇溶液中交联20min～30min，获得壳聚糖/海藻酸钙静电纺纳米纤维复合膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法，步骤(4)中，无针静电纺丝的条件为：溶液盒中复合溶液中海藻酸钠水溶液、壳聚糖酸溶液与聚环氧乙烷水溶液或者聚乙烯吡咯烷酮水溶液三种溶液体积比为10～25：10～25：50～80，纺丝电压为60～80kV，溶液盒速度80～150mm/s，纺丝时间20分钟以上。
3.根据权利要求1所述的制备方法，步骤(2)中，壳聚糖酸溶液的制备方法如下：将壳聚糖溶解于50wt％乙酸水溶液中，配制成1wt％～5wt％的溶液。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的制备方法获得的医用敷料用壳聚糖/海藻酸钙无针静电纺纳米纤维膜。
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