一種海藻酸鈣纖維及其製備方法
2023-10-09 06:39:04
一種海藻酸鈣纖維及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種海藻酸鈣纖維及其製備方法，所述纖維為多孔狀、棒狀或棒狀多孔複合結構海藻酸鈣水凝膠，纖維直徑為10～500μm；其製備方法為：基於水動力學的作用，利用海藻酸鈉與氯化鈣反應生成海藻酸鈣水凝膠的化學原理，通過設計微流體裝置，使海藻酸鈉溶液和氯化鈣溶液混合發生凝膠化反應，通過調節內相流體的流速，使生成不同結構及尺寸的纖維。本發明的製備方法簡單安全、成本較低、實驗可重複性強；製備過程中不涉及高壓電場，不會對細胞造成損傷，可以實現細胞封裝；所製備的纖維結構不僅均勻，尺寸可控，而且生物相容性好，可直接應用於細胞培養、藥物輸送等生物醫學領域，應用前景廣闊。
【專利說明】一種海藻酸鈣纖維及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及生物材料【技術領域】，特別是涉及一種海藻酸鈣纖維及其製備方法。
【背景技術】
[0002]生物材料主要作用於人體，因此對其要求非常嚴格。一般來說，生物材料具有四個方面特性:(1)生物功能性:因各種生物材料的用途而異；(2)生物相容性:主要包括血液相容性和組織相容性，如無毒、無致癌性、無熱原反應、無免疫排斥反應等；(3)化學穩定性:耐生物老化性或可控生物降解性；(4)可加工性:能夠成型、消毒，如紫外滅菌、高壓煮沸等。
[0003]海藻酸鹽凝膠作為一種穩定的材料，正被廣泛應用於生物醫學領域。其中，海藻酸鈣凝膠因具有許多優良性質，如生物相容性好、細胞毒性較低、無免疫原性、可被生物降解、可以在適宜的條件下加工成形等，近年來被廣泛應用於組織工程、細胞培養和藥物輸送等方面，是一種優良的生物材料。
[0004]從傳統角度講，水凝膠纖維可以通過紡絲的方法生成，即將海藻酸鈉溶液通過噴絲頭的小孔擠入凝膠收集池中，當池中有合適的化學試劑(如鈣離子或其他二價陽離子)與海藻酸鈉高分子鏈交聯形成凝膠態時，或者當海藻酸鈉在有機溶劑(如丙酮)中無法溶解時，即形成纖維，纖維直徑一般在幾十至幾百微米。除此之外，靜電紡絲技術已經被用來生成各種多聚物纖維，纖維直徑可以達到亞微米級。這種較稀薄的多聚物纖維可以形成性能更佳的織物，並且可顯著提高織物的強度，這是因為在稀釋過程中，高分子鏈間沿軸線的對齊性更好。然而，用這種方法將功能性材料(例如生物細胞)封裝在纖維內卻很困難，因為靜電紡絲一般適用於製備納米纖維，而細胞一般在微米尺度，並且靜電紡絲的過程一般要求同種多聚物溶液，另外其所需的高壓電場可能會對細胞造成損傷。
【發明內容】
[0005]本發明主要解決的技術問題是提供一種海藻酸鈣纖維及其製備方法，解決了靜電紡絲製備纖維時，在纖維尺寸及製備工藝方面均不能封裝功能性材料的缺點。
[0006]為解決上述技術問題，本發明採用的一個技術方案是:提供一種海藻酸鈣纖維，所述纖維為棒狀、多孔狀或棒狀多孔複合結構的海藻酸鈣水凝膠，所述纖維直徑為10?500 μ m0
[0007]在本發明一個較佳實施例中，所述棒狀或棒狀多孔複合結構纖維的長度為50 μ m ?5mm。
[0008]在本發明一個較佳實施例中，所述多孔狀或棒狀多孔複合結構纖維中孔洞的直徑為 5 ?500 μ m。
[0009]在本發明一個較佳實施例中，所述水凝膠由海藻酸鈉溶液和氯化鈣溶液混合發生凝膠化反應得到。
[0010]為解決上述技術問題，本發明採用的另一個技術方案是:提供一種海藻酸鈣纖維的製備方法，包括以下步驟:
(1)配製油相或氣相，海藻酸鈉溶液以及氯化鈣溶液，並將其按照內、中、外三相分別注入微流體裝置的內相流體通道、中相流體通道和外相流體通道；
(2)調節步驟(I)中所述內相流體通道內的流體流速，使海藻酸鈉溶液與氯化鈣溶液發生凝膠化反應，生成預定結構的海藻酸鈣纖維；
(3)對生成的纖維進行收集或洗滌，得到棒狀多孔結構海藻酸鈣纖維。
[0011]在本發明一個較佳實施例中，所述內相流體通道包括一個以上的不同直徑的流體通道，所述步驟(I)中，將油相或氣相注入其中一個內相流體通道；所述步驟(2)中，調節所述內相流體通道內的流體流速，使其大於所述中相流體通道內的流體流速，使形成的油滴或氣泡充滿整個中相流體通道的內壁，凝膠化反應生產的纖維被這些油滴或氣泡隔斷，生成棒狀海藻酸鈣纖維。
[0012]在本發明一個較佳實施例中，所述內相流體通道包括一個以上的不同直徑的流體通道，所述步驟(I)中，將油相或氣相注入其中一個內相流體通道；所述步驟(2)中，調節所述內相流體通道內的流體流速，使其小於所述中相流體通道內的流體流速，使形成的油滴或氣泡充滿海藻酸鈉溶液，凝膠化反應生產的纖維可保持連續性，生成多孔狀海藻酸鈣纖維。
[0013]在本發明一個較佳實施例中，所述內相流體通道包括第一內相流體通道和第二內相流體通道，所述第二內相流體通道的直徑小於所述第一內相流體通道的直徑，所述步驟(O中，將油相或氣相注入第一內相流體通道和第二內相流體通道；所述步驟(2)中，調節所述第一內相流體通道和第二內相流體通道內的流體流速，使第一內相流體通道內的流體流速大於所述中相流體通道內的流體流速，同時使第二內相流體通道內的流體流速小於所述中相流體通道內的流體流速，使形成的油滴或氣泡充滿中相流體通道的內壁和海藻酸鈉溶液，凝膠化反應生成具有多孔結構的棒狀海藻酸鈣纖維。
[0014]在本發明一個較佳實施例中，所述油相為甲基矽油或豆油；所述氣相為空氣或氧氣；所述海藻酸鈉水溶液的重量百分比為0.r 20%。
[0015]為解決上述技術問題，本發明採用的另一個技術方案是:提供一種棒狀多孔結構海藻酸鈣纖維的應用方法，將細胞或生物活性分子封裝在上述纖維內，進行細胞粘附生長、細胞培養或藥物輸送。
[0016]本發明基於水動力學的作用，利用海藻酸鈉與氯化鈣反應生成海藻酸鈣水凝膠的化學原理，通過設計微流體裝置，使海藻酸鈉溶液和氯化鈣溶液混合發生凝膠化反應。通過調節內相流體的流速，在海藻酸鈉溶液中分別注入可充滿整個中相流通管B內壁的較大的油滴或氣泡，可充滿海藻酸鈉溶液的較小的油滴或氣泡和上述兩種尺寸的混合油滴或氣泡，進而生成被較大油滴或氣泡隔斷的棒狀海藻酸鈣纖維、內部含多孔狀結構的連續多孔纖維和多孔結構的棒狀纖維三種結構纖維。
[0017]本發明的有益效果是:本發明一種棒狀多孔結構海藻酸鈣纖維及其製備方法，相對於現有技術，其優點是:
(I)本發明棒狀多孔結構海藻酸鈣纖維的結構均勻並且尺寸可控，棒狀纖維的長度、直徑，多孔狀纖維直徑以及孔洞大小等均可以通過調節溶液的流速來控制，能夠滿足包埋功能性材料(例如生物細胞)時對纖維的尺寸要求； (2)本發明的製備方法簡單安全、成本較低、實驗可重複性強；製備過程中不涉及靜電紡絲技術中的高壓電場，不會對細胞造成損傷，可以實現細胞封裝；
(3)本發明棒狀多孔海藻酸鈣纖維的生物相容性好，可直接用於生物醫學領域，如細胞培養、藥物輸送等方面。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明一種用於製備海藻酸鈣纖維的微流體裝置用於製備棒狀海藻酸鈣纖維的結構流程示意圖；
圖2是本發明一種用於製備海藻酸鈣纖維的微流體裝置用於製備多孔狀海藻酸鈣纖維的結構流程示意圖；
圖3是本發明一種用於製備海藻酸鈣纖維的微流體裝置用於製備棒狀多孔複合結構海藻酸鈣纖維的結構流程示意圖；
附圖中各部件的標記如下:1.流通管A，2.流通管B，3.流通管C，4.第一進液動力裝置，5.第二進液動力裝置，6.第三進液動力裝置，7.油滴或氣泡，8.棒狀海藻酸鈣纖維，
9.連續多孔狀海藻酸鈣纖維，10.棒狀多孔複合結構海藻酸鈣纖維，11.流通管D，12第四進液動力裝置。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖對本發明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發明的優點和特徵能更易於被本領域技術人員理解，從而對本發明的保護範圍做出更為清楚明確的界定。
[0020]請參閱附圖,本發明實施例包括:
一種海藻酸鈣纖維，其通過微流體方法，由海藻酸鈉溶液和氯化鈣溶液混合發生凝膠化反應得到，所述纖維為多孔狀、棒狀或棒狀多孔複合結構海藻酸鈣水凝膠，纖維直徑為10?500 μ m ;所述棒狀或棒狀多孔複合結構纖維的長度為50 μ m?5mm ;多孔狀或棒狀多孔複合結構纖維中孔洞的直徑為5?500 μ m。
[0021]一種用於製備海藻酸鈣纖維的微流體裝置，所述微流體裝置包括流通管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形成第一內相流體的流通管道，所述流通管A的流出埠為尖頭形，且所述流通管A的流出埠位於所述流通管B內；所述流通管B形成中相流體的流通管道，所述流通管B的流出埠為尖頭形，且所述流通管B的流出埠位於所述流通管C內；所述流通管C形成外相流體的流通管道；所述微流體裝置還包括一個流通管D，所述流通管D與所述流通管A相鄰，並套裝於所述流通管B中，所述流通管D形成第二內相流體的流通管道，所述流通管D的流出埠為尖頭形，且所述流通管D的流出埠位於所述流通管B內；所述內、中、外三相流體的流向相同，所述流通管A、B、C和D的流入埠分別與第一進液動力裝置4、第二進液動力裝置5、第三進液動力裝置6和第四進液動力裝置12連通。
[0022]其中，所述流通管A的內徑為所述流通管B內徑的2/3 ;所述流通管A的直徑大於所述流通管D的直徑，所述流通管A和流通管D內的流體相同；所述流通管A、B、C、D均為玻璃管；所述進液動力裝置包括進液泵和注射器連接針頭，所述進液泵通過導管與所述注射器連接針頭接通，所述注射器連接針頭通過導管與所述流通管連通；所述內相流體為油相或氣相；所述中相流體為海藻酸鈉溶液；所述外相流體為氯化鈣溶液。
[0023]一種海藻酸鈣纖維的製備方法，包括以下步驟:
(1)配製油相或氣相，海藻酸鈉溶液以及氯化鈣溶液，並將其按照內、中、外三相分別注入微流體裝置的內相流體通道、中相流體通道和外相流體通道；
(2)調節步驟(I)中所述內相流體通道內的流體流速，使海藻酸鈉溶液與氯化鈣溶液發生凝膠化反應，生成預定結構的海藻酸鈣纖維；
(3)對生成的纖維進行收集或洗滌，得到棒狀多孔結構海藻酸鈣纖維。
[0024]其中，所述步驟(I)中，將油相或氣相注入其中一個內相流體通道；所述步驟(2)中，調節所述內相流體通道內的流體流速，使其大於所述中相流體通道內的流體流速，使形成的油滴或氣泡充滿整個中相流體通道的內壁，凝膠化反應生產的纖維被這些油滴或氣泡隔斷，生成棒狀海藻酸鈣纖維。
[0025]所述步驟(I)中，將油相或氣相注入其中一個內相流體通道；所述步驟(2)中，調節所述內相流體通道內的流體流速，使其小於所述中相流體通道內的流體流速，使形成的油滴或氣泡充滿海藻酸鈉溶液，凝膠化反應生產的纖維可保持連續性，生成多孔狀海藻酸鈣纖維。
[0026]所述內相流體通道包括第一內相流體通道和第二內相流體通道，所述第二內相流體通道的直徑小於所述第一內相流體通道的直徑，所述步驟(I)中，將油相或氣相注入第一內相流體通道和第二內相流體通道；所述步驟(2)中，調節所述第一內相流體通道和第二內相流體通道內的流體流速，使第一內相流體通道內的流體流速大於所述中相流體通道內的流體流速，同時使第二內相流體通道內的流體流速小於所述中相流體通道內的流體流速，使形成的油滴或氣泡充滿中相流體通道的內壁和海藻酸鈉溶液，凝膠化反應生成具有多孔結構的棒狀海藻酸鈣纖維。
[0027]所述油相為甲基矽油或豆油；所述氣相為空氣或氧氣；所述海藻酸鈉水溶液的重量百分比為0.2?20%。
[0028]一種海藻酸鈣纖維的應用方法，將細胞或生物活性分子(如蛋白質等)包埋在上述方法製備的海藻酸鈣纖維內，用於細胞粘附生長、細胞培養或藥物輸送。
[0029]實施例1
(1)海藻酸鈉溶液與油滴混合狀態的生成:按照圖1所示，將玻璃管A、B、C分別用膠黏結在玻璃片上，然後將玻璃管A依次插入玻璃管B和C中，使玻璃管A和B的尖頭形端部均作為流出端，然後在膠沒有完全乾的情況下，在顯微鏡下調整玻璃管之間的位置，使得細管在粗管的正中間。通過第一進液動力裝置中的泵I和IOml的注射器向A管中推注甲基矽油KF-96 (50CS)，通過第二進液動力裝置中的泵2和2.5ml的注射器連接針頭向B管內推注lwt%海藻酸鈉溶液，通過第三進液動力裝置中的泵3和IOml的注射器連接針頭C管內推注2wt%的氯化鈣溶液，並使A管相流速較大，在油水剪切力作用下生成較大的油滴並充滿整個B管內壁，將海藻酸鈉溶液隔斷，經過與C中的氯化鈣溶液反應後生成被油滴隔斷的海藻酸鈣纖維；
(2)玻璃管末端通入收集液，對生成的纖維進行收集，該收集液為40ml去離子水和6ml濃度為10wt%的氯化鈣溶液的混合液；
(3)在吹打作用下，最終生成棒狀海藻酸鈣纖維。[0030]實施例2
(1)海藻酸鈉溶液與油滴混合狀態的生成:按照圖2所示，使用與實施例1中相同的裝置。通過第一進液動力裝置中的泵I和IOml的注射器連接針頭向A管中推注體積比為9:1的甲基矽油KF-96 (50CS)和表面活性劑F108 (lwt%)的混合液，通過第二進液動力裝置中的泵2和2.5ml的注射器連接針頭向B管中推注2wt%海藻酸鈉溶液，通過第三進液動力裝置中的泵3和IOml的注射器連接針頭向C管內推注2wt%的氯化鈣溶液，並使A管相流速較小，在油水剪切力的作用下生成一個個較小的油滴充滿海藻酸鈉溶液，經過與外管中的氯化鈣溶液反應後生成內部含有許多小油滴海藻酸鈣纖維；
(2)玻璃管末端通入收集液，對生成的纖維進行收集，該收集液為40ml去離子水和6ml濃度為10wt%的氯化鈣溶液的混合液；
(3)將上述含有油滴的纖維用正己烷清洗兩遍，並在正己烷中浸泡三小時，再分別用無水乙醇和超純水清洗兩遍，可以在金相顯微鏡下觀察到油滴已部分去除，重複上述洗滌過程兩到三次，即可將纖維內部的油滴完全去除，從而製得多孔結構纖維。
[0031]實施例3
(1)海藻酸鈉溶液與油滴混合狀態的生成:按照圖3所示，在實施例1中所述裝置的基礎上，再在B管中增加一根內管D，並由通過第四進液動力裝置中的泵4和Iml的注射器連接針頭向D管中推注體積比為9:1的甲基矽油KF-96 (50CS)和表面活性劑F108 (lwt%)的混合液，通過控制A管和D管內液相的不同流速，可以使被大油滴隔斷的海藻酸鈉溶液中還充滿小油滴，經過與外管中的氯化鈣溶液反應後生成被油滴隔斷的同時內部含有許多小油滴的海藻酸鈣纖維；
(2)玻璃管末端通入收集液，對生成的纖維進行收集，該收集液為40ml去離子水和6ml濃度為10wt%的氯化鈣溶液的混合液；
(3)在吹打作用下，生成內部含有很多小油滴的棒狀纖維；
(4)將上述含有油滴的棒狀纖維用正己烷清洗兩遍，並在正己烷中浸泡三小時，再分別用無水乙醇和超純水清洗兩遍，可以在金相顯微鏡下觀察到油滴已部分去除，重複上述洗滌過程兩到三次，即可將纖維內部的油滴完全去除，從而製得棒狀多孔複合結構纖維。
[0032]以上所述僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的【技術領域】，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。
【權利要求】
1.一種海藻酸鈣纖維，其特徵在於，所述纖維為棒狀、多孔狀或棒狀多孔複合結構的海藻酸鈣水凝膠，所述纖維直徑為10?500 μ m。
2.根據權利要求1所述的海藻酸鈣纖維，其特徵在於，所述棒狀或棒狀多孔複合結構纖維的長度為50 μ m?5mm。
3.根據權利要求1所述的海藻酸鈣纖維，其特徵在於，所述多孔狀或棒狀多孔複合結構纖維中孔洞的直徑為5?500 μ m。
4.根據權利要求1所述的海藻酸鈣纖維，其特徵在於，所述水凝膠由海藻酸鈉溶液和氯化鈣溶液混合發生凝膠化反應得到。
5.一種如權利要求1至4之一所述的海藻酸鈣纖維的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟: (1)配製油相或氣相，海藻酸鈉溶液以及氯化鈣溶液，並將其按照內、中、外三相分別注入微流體裝置的內相流體通道、中相流體通道和外相流體通道； (2)調節步驟(I)中所述內相流體通道內的流體流速，使海藻酸鈉溶液與氯化鈣溶液發生凝膠化反應，生成預定結構的海藻酸鈣纖維； (3)對生成的纖維進行收集或洗滌，得到棒狀多孔結構海藻酸鈣纖維。
6.根據權利要求5所述的海藻酸鈣纖維的製備方法，其特徵在於，所述內相流體通道包括一個以上的不同直徑的流體通道，所述步驟(I)中，將油相或氣相注入其中一個內相流體通道；所述步驟(2)中，調節所述內相流體通道內的流體流速，使其大於所述中相流體通道內的流體流速，使形成的油滴或氣泡充滿整個中相流體通道的內壁，凝膠化反應生產的纖維被這些油滴或氣泡隔斷，生成棒狀海藻酸鈣纖維。
7.根據權利要求5所述的海藻酸鈣纖維的製備方法，其特徵在於，所述內相流體通道包括一個以上的不同直徑的流體通道，所述步驟(I)中，將油相或氣相注入其中一個內相流體通道；所述步驟(2)中，調節所述內相流體通道內的流體流速，使其小於所述中相流體通道內的流體流速，使形成的油滴或氣泡充滿海藻酸鈉溶液，凝膠化反應生產的纖維可保持連續性，生成多孔狀海藻酸鈣纖維。
8.根據權利要求5所述的海藻酸鈣纖維的製備方法，其特徵在於，所述內相流體通道包括第一內相流體通道和第二內相流體通道，所述第二內相流體通道的直徑小於所述第一內相流體通道的直徑，所述步驟(I)中，將油相或氣相注入第一內相流體通道和第二內相流體通道；所述步驟(2)中，調節所述第一內相流體通道和第二內相流體通道內的流體流速，使第一內相流體通道內的流體流速大於所述中相流體通道內的流體流速，同時使第二內相流體通道內的流體流速小於所述中相流體通道內的流體流速，使形成的油滴或氣泡充滿中相流體通道的內壁和海藻酸鈉溶液，凝膠化反應生成具有多孔結構的棒狀海藻酸鈣纖維。
9.根據權利要求5所述的棒狀多孔結構海藻酸鈣纖維的製備方法，其特徵在於，所述油相為甲基矽油或豆油；所述氣相為空氣或氧氣；所述海藻酸鈉水溶液的重量百分比為0.2?20%ο
10.一種如權利要求1至4之一所述的棒狀多孔結構海藻酸鈣纖維的應用方法，其特徵在於，將細胞或生物活性分子封裝在如權利要求1至4之一所述的纖維內，進行細胞粘附生長、細胞培養或藥物輸送。
【文檔編號】A61K47/36GK103820880SQ201410025611
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年1月21日 優先權日:2014年1月21日
【發明者】趙遠錦, 商珞然, 程瑤, 李豔娜, 顧忠澤 申請人:東南大學