一種海藻酸鈉納米纖維的製備方法與流程

2023-06-12 13:04:57

本發明涉及一種海藻酸鈉納米纖維的製備方法，尤其涉及一種基於自組裝工藝的海藻酸鈉納米纖維的製備方法。

背景技術：

海藻酸鈉(Sodium Alginate，SA)又名褐藻酸鈉，它是由β-D-甘露糖醛酸(M段)和α-L-古洛糖醛酸(G段)通過1-4糖苷鍵連接而成的天然線性高分子。

由於海藻酸鈉具有良好的生物相容性、可降解性、強吸溼性和止血性，使得其在藥物釋放、組織工程上有著廣泛的應用前景。特別地，海藻酸鈉納米纖維是以海藻酸鈉為原料製備而成的直徑尺寸在納米級別的纖維。由於其具有非常高的體積-表面積比，使其在組織工程、藥物釋放等領域具有較高的利用價值。

現有技術中，海藻酸鈉納米纖維的製備只能通過靜電紡絲方法製得。由於海藻酸鈉分子鏈呈剛性、在溶液中伸展，缺少必要的鏈纏結作用，在其靜電紡絲液的製備中，往往需要向海藻酸鈉溶液體系中添加交聯劑或大量水溶性柔性高分子，才能使海藻酸鈉紡絲溶液的粘度達到靜電紡絲成形的工藝要求，進而保證靜電紡絲的順利進行。

不難看出，靜電紡絲的主要問題或不足之處在於：一是，紡絲液的製備工藝複雜且工藝參數的控制難度大，相應地，往往造成產品質量的穩定性差或波動大；二是，靜電紡絲設備造價高、運行成本相對偏高；三是，所製得的納米纖維的直徑比較大，都在幾百納米之上。嚴格意義上講，並不能稱之為「納米」纖維。

技術實現要素：

本發明的目的是，提供一種工藝流程短，工藝簡單易控，節能環保，所需要儀器/設備簡單，製備成本低廉，產品質量好且便於長期保存的海藻酸鈉納米纖維的製備方法。

本發明為實現上述目的所採用的技術方案是，一種海藻酸鈉納米纖維的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟：

第一步，按質量份數，分別稱取海藻酸鈉1000份、水溶性的多價陽離子鹽1～5份，備用；

第二步，將所取海藻酸鈉加去離子水溶解，配製成0.01wt％～30wt％的海藻酸鈉溶液；

然後，邊攪拌、邊將所取水溶性的多價陽離子鹽加入到上述海藻酸鈉溶液中，持續攪拌0.5～5h，得到混合溶液；

第三步，將所得到的混合溶液靜置2～120h，即得到含有海藻酸鈉納米纖維的溶液；

上述多價陽離子鹽中的陽離子的化合價為+2價或+3價。

上述技術方案直接帶來的技術效果是，巧妙地利用多價陽離子誘導海藻酸鈉自組裝的技術原理，將海藻酸鈉分子由無規線團結構形式轉變為納米纖維結構。

即，在多價陽離子誘導下，使海藻酸鈉分子鏈與海藻酸鈉分子鏈依次組裝成一體(自組裝成海藻酸鈉納米纖維)。因而簡化了海藻酸鈉納米纖維的製備工藝，並大幅度地降低了工藝參數控制難度。

更為重要的是，上述技術方案的製備方法，所製得的海藻酸鈉納米纖維，形貌和大小尺寸通過改變組裝條件(改變陽離子鹽的種類和濃度、調節靜置時間的長短)即可有效調控。

顯然，上述技術方案的製備方法，相對於現有技術的靜電紡絲成形工藝，其工藝簡單、工藝控制難度小、產品質量穩定性好。

而且，上述技術方案的製備方法，所製得的海藻酸鈉納米纖維可以長時間地、穩定地均勻分散/儲存在溶液體系中(無需額外的「分離」步驟)，因而便於儲存。原因在於：

海藻酸鈉在水溶液中由無規線團結構到納米纖維結構的轉變過程，是一個由無序到有序的過程，是一個熵減的過程。在這一過程中，多價陽離子的交聯作用提供了能量，使得部分海藻酸鈉分子鏈與海藻酸鈉分子鏈緊緊的結合在一起，形成了新的結構，即納米纖維結構；

而納米纖維結構是一種穩定的結構，假設要使這種納米纖維結構再變回到原來的無規線團結構，則需要提供能量，以打破多價陽離子的結合作用。假設要使這種納米纖維再聚集(長粗、變大)，則仍然是一個熵減過程，也需要外界提供能量。

因此，上述技術方案所製得的存在於溶液體系中的海藻酸鈉納米纖維，其結構是穩定的，它的破壞過程是非自發的。

也就是說，上述技術方案的製備方法，所製得的海藻酸鈉納米纖維可以長時間地、穩定地均勻分散/儲存在溶液體系中，是有理論依據的、是可靠的。

此外，上述技術方案的製備方法，所需設備極其簡單、運行成本低廉(幾乎不存在水、電、氣、汽等公用工程消耗)，且無價格較為昂貴的化學試劑的使用/消耗，無「三廢」產生，節能環保。

優選為，上述的海藻酸鈉重均分子量為10kDa～600kDa。

該優選技術方案直接帶來的技術效果是，我們的經驗表明：海藻酸鈉重均分子量越大溶解度越低，10kDa的分子量的溶液最大濃度可以達到30％，而600kDa的海藻酸鈉最大溶解度只有5％左右。之所以，選優/推薦海藻酸鈉重均分子量為10kDa～600kDa，主要考慮到的是最終產品的產量指標、技術經濟性指標的平衡與合理性。

事實上，我們的研究證明：本發明的海藻酸鈉自組裝納米纖維的製備方法，其適用於任何分子量的海藻酸鈉(原料)。

優選為，上述的海藻酸鈉重均分子量為250a～450kDa。

該優選技術方案直接帶來的技術效果是，選擇海藻酸鈉重均分子量為250a～450kDa(這一中間區段的重均分子量數值範圍)的效果最好，不僅獲得較高濃度的納米纖維溶液，還能保證納米纖維間的鏈纏結。

因為，海藻酸鈉的重均分子量太大，溶解度較低，不利於製備較高濃度的納米纖維溶液；而且海藻酸鈉重均分子量越大，分子鏈越長，越不利於重新聚集形成一個有序結構；

海藻酸鈉的分子量太小就會使得分子鏈太短，有效的鏈纏結也相應的降低，從而大大地降低了納米纖維的強度，納米纖維的尺寸也較小。

進一步優選，上述多價陽離子鹽中的陽離子為Ca2+、、Zn2+、Cu2+、Al3+或Fe3+。

該優選技術方案直接帶來的技術效果是，優先選擇Ca2+、、Zn2+、Cu2+、Al3+或Fe3+的水溶性鹽，這主要是基於原料易於獲取、原料成本相對較低等因素的綜合考慮。

進一步優選，上述的海藻酸鈉自組裝納米纖維的製備方法，所製得的海藻酸鈉納米纖維直徑為5～100nm、長度為300～2500nm。

該優選技術方案直接帶來的技術效果是，將海藻酸鈉納米纖維的直徑、長度分別控制在一個相對較窄的數值範圍，有利於產品質量的均勻性與穩定性，利於後續的海藻酸鈉納米纖維的應用。

需要說明的是，本發明的海藻酸鈉自組裝納米纖維的製備方法，可以十分簡便地通過工藝參數/工藝條件的調節，得到不同直徑、不同長度尺寸的海藻酸鈉納米纖維。例如，使用較大的重均分子量的海藻酸鈉，就可以得到尺寸較大的納米纖維；增加多價陽離子的濃度，也可以獲得大尺寸的纖維；反之，則反之。

說明：為保證海藻酸鈉溶液質量，確保海藻酸鈉得到快速的、充分的溶解，上述0.01wt％～30wt％的海藻酸鈉溶液最好是採用如下方法配製：

在室溫下，邊攪拌、邊加入去離子水以使海藻酸鈉溶解，並持續攪拌0.5～6h；然後，升溫至50℃，並持續攪拌2-5h，即得海藻酸鈉溶液。

因為海藻酸鈉的完全溶解是需要長時間攪拌的，尤其是對於高濃度的海藻酸鈉(>5％)，需要更長的時間使得海藻酸鈉粉末，先溶脹、再溶解。為了保證整個海藻酸鈉溶液體系的均一性，我們的經驗表明：最好在50℃左右，再攪拌一段時間，效果更好。因為，升高溫度，有利於分子鏈的運動，更利於海藻酸鈉的溶解。

為了更好地理解本發明，下面對多價陽離子鹽誘導海藻酸鈉大分子自組裝成海藻酸鈉納米纖維的技術原理，進行詳細的解釋與說明。

當水溶性的海藻酸鈉的溶液與多價金屬離子M2+(如Ca2+、Zn2+、Cu2+等)或M3+(如Al3+、Fe3+等)混合後，海藻酸鈉大分子上兩段均聚的G嵌段經過協同作用相結合，中間形成了鑽石形的親水空間，這些空間被M2+佔據時，M2+與G單元上的羧基上和羥基上的多個O原子發生靜電吸引從而產生螯合作用，使得得更緊密，協同作用更強。在其結構中，M2+像雞蛋一樣位於蛋盒中，故稱其與G嵌段形成了「蛋-盒」結構。

當水溶性的海藻酸鈉的溶液與三價金屬離子M3+(如Al3+、Fe3+等)混合後，海藻酸鏈間結合作用，也依賴於G區的數量和長度。

但是，不同於M2+與G單元形成鑽石形的親水空間，M3+由於價態變化以及原子核大小的不同，會同時吸引多個分子鏈上G單元的O原子發生螯合作用，從而形成不穩定的空間網絡結構。即，海藻酸鏈間結合得不如M2+緊密。

當添加的多價陽離子濃度較小時(CC2)時，海藻酸鈉分子的鏈與鏈間的相互作用較強，使得大量的海藻酸鈉分子鏈間錯綜複雜的相互結合在一起，最終將會導致三維網絡結構的形成(即凝膠)。

只有當添加的多價陽離子濃度適中時(C1<C<C2)，才能使得海藻酸鈉分子鏈之間的作用力適中，使得少量的分子鏈間相互結合在一起，最終將會導致新的結構即納米纖維結構的形成。

本發明正是建立在對這一客觀規律的「發現/認識」的基礎上，進而巧妙地「利用」這一客觀規律，通過對對多價陽離子鹽與海藻酸鈉相對濃度的選擇，進而形成的技術方案。

需要說明的是，本發明的技術關鍵點在於，合理控制多價陽離子的種類和多價陽離子鹽與海藻酸鈉的相對濃度。

綜上所述，本發明相對於現有技術，具有工藝流程短，工藝簡單、易控，節能環保，所需要儀器/設備簡單，製備成本低廉，產品質量好且便於長期保存等有益效果。

附圖說明

圖1為本發明的自組裝原理示意圖；

圖2為實施例1所製得的海藻酸鈉納米纖維的透射電鏡照片；

圖3為實施例2所製得的海藻酸鈉納米纖維的透射電鏡照片。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明進行詳細說明。

說明：

1、以下各實施例中，所用海藻酸鈉均為市售產品，重均分子量均為10kDa～600kDa。

2、以下各實施例中，所用水溶性的多價陽離子鹽(包括但不限於：CaCl2、AlCl3、ZnSO4、Cu(NO3)2)均為市售產品。

3、以下各實施例中，產品的檢測檢驗方法均為：使用透射電子顯微鏡(TEM)觀測。

實施例1

取5.5g重均分子量為330kDa的海藻酸鈉加入到100ml的去離子水中，進過充分攪拌得到海藻酸鈉溶液；

稱取0.08g的CaCl2添加到上述溶液中，經過充分的攪拌得到均一的混合溶液；

再將上述混合溶液經過96h的靜置，以使海藻酸鈉在Ca2+的誘導下自組裝，得到具有海藻酸鈉自組裝納米纖維溶液。

產品檢測指標：納米纖維直徑為15nm，長度為750nm。

實施例2

取25.0g重均分子量為10kDa的海藻酸鈉加入到100ml的去離子水中，進過充分攪拌得到海藻酸鈉溶液；

稱取0.15g的CaCl2添加到上述溶液中，經過充分的攪拌得到均一的混合溶液；

再將上述混合溶液經過48h的靜置，以使海藻酸鈉在Ca2+的誘導下自組裝，得到具有海藻酸鈉自組裝納米纖維溶液。

產品檢測指標：納米纖維直徑為45nm，長度為1000nm。

實施例3

取0.5g重均分子量為500kDa的海藻酸鈉加入到100ml的去離子水中，進過充分攪拌得到海藻酸鈉溶液；

稱取0.001g的MgCl2添加到上述溶液中，經過充分的攪拌得到均一的混合溶液；

再將上述混合溶液經過24h的靜置，以使海藻酸鈉在Mg2+的誘導下自組裝，得到具有海藻酸鈉自組裝納米纖維溶液。

產品檢測指標：納米纖維直徑為15nm，長度為1600nm。

實施例4

取10.8g重均分子量為240kDa的海藻酸鈉加入到100ml的去離子水中，進過充分攪拌得到海藻酸鈉溶液；

稱取0.055g的ZnSO4添加到上述溶液中，經過充分的攪拌得到均一的混合溶液；

再將上述混合溶液經過54h的靜置，以使海藻酸鈉在Zn2+的誘導下自組裝，得到具有海藻酸鈉自組裝納米纖維溶液。

產品檢測指標：納米纖維直徑為26nm，長度為560nm。

實施例5

取23g重均分子量為450kDa的海藻酸鈉加入到1000ml的去離子水中，進過充分攪拌得到海藻酸鈉溶液；

稱取0.25g的Cu(NO3)2添加到上述溶液中，經過充分的攪拌得到均一的混合溶液；

再將上述混合溶液經過25h的靜置，以使海藻酸鈉在Cu2+的誘導下自組裝，得到具有海藻酸鈉自組裝納米纖維溶液。

納米纖維直徑為10nm，長度為1560nm。

實施例6

除海藻酸鈉的重均分子量為600kDa、多價陽離子鹽為AlCl3之外；

其餘，均同實施例2。

產品檢測指標：納米纖維直徑為42nm，長度為980nm。

實施例7

除多價陽離子鹽為FeCl3之外；其餘，均同實施例6。

產品檢測指標：納米纖維直徑為42nm，長度為985nm。

實施例8

除多價陽離子鹽為AlCl3之外；其餘，均同實施例6。

產品檢測指標：納米纖維直徑為42nm，長度為982nm。

為更好地理解本發明，下面結合附圖，作進一步的解釋與說明。

如圖1所示，長線狀的是SA(海藻酸鈉)的無規線團形式的分子鏈，當加入適量的多價陽離子後，SA分子鏈上的羧基會與多價陽離子形成「蛋-盒」結構，使得分子鏈相互結合在一起，形成納米纖維結構。

如圖2所示，可以清晰地看到大量的納米纖維的存在：纖維的直徑在20nm-35nm之間，纖維的長度在2500nm-3000nm之間。其中，有的呈線型、有的呈枝化型。

如圖3所示，納米纖維的直徑大約在50nm-60nm之間，纖維的長度在3000nm左右。其中，有的呈枝化型，有的呈線型。

結合圖2和圖3，不難理解，本發明的方法，對於所製得的海藻酸鈉納米纖維的尺寸不僅是可控，並且是「容易」控制的。

需要特別強調的是，基於本發明的技術原理，對於本發明中所涉及到的「多價陽離子鹽」，絕不僅僅限於上述實施例中所列舉的CaCl2、MgCl2、AlCl3、ZnSO4或Cu(NO3)2這幾種；而是，包括所有的水溶性的多價陽離子鹽。

此外，本發明的方法，在對於多價陽離子鹽與海藻酸鈉的相對濃度指標較低的特定情形下，我們已有的實驗表明：

在顆粒粒徑足夠細小的前提下，使用某些微溶於水、甚至是難溶於水的多價陽離子鹽(例如，CaCO3)，也是可以誘導海藻酸鈉自組裝，進而製備出海藻酸鈉納米纖維的。