一种丝素纳米纤维高效制备方法及其应用
【专利摘要】本发明针对超声制备丝素纳米纤维的缺点，提供一种改进的丝素纳米纤维的高效制备方法，其特征主要包括以下实验步骤：其特征在于使用凸阵或线阵探头，超声探头和被超声丝素纤维均浸入溶液中，功率大约在200W~1750W之间，频率为5千赫兹～5兆赫兹，超声持续时间为1～24小时，超声间隔时间为超3～60s停1~10s,过程中控制被超声溶液温度在0℃～90℃之间；将被超声丝素纤维固定在方形中空或者圆形中空的平面夹具上，控制超声探头到丝素纤维所在平面的垂直距离为0.1～5cm，以0～5cm/Min的速度水平移动被超声丝素纤维所在的夹具，从而制备得到丝素纳米纤维材料。本发明所制备丝素纳米纤维具有良好的亲水性、水蒸气透过性能和药物缓释性能，本发明保护其在医用敷料方面的应用。
【专利说明】
一种丝素纳米纤维高效制备方法及其应用
技术领域
[0001]本发明涉及一种改进的丝素纳米纤维的高效制备方法及其应用，属于生物医用材料技术领域。
【背景技术】
[0002]随着对蚕丝结构性能的深入研究以及蚕丝新材料的开发，国内外对蚕丝的应用正从传统的纺织领域向组织工程、药物释放，生物医药、化妆品、食品等领域拓展。丝素纳米纤维是一种典型的纳米蚕丝材料，除了具备天然丝素纤维所具有的优良性能外，还具有更大的比表面积、高的表面能、小尺寸效应、表面效应。
[0003]现在制备丝素纳米纤维主要通过静电纺丝法来制备，该方法需要以再生丝素蛋白溶液为原料，再生丝素蛋白溶液的制备需要经过溶解和透析工艺，工艺复杂、无法量产。
[0004]超声是一种简单高效的、直接从丝素纤维中制取丝素纳米纤维的方法，具有工艺流程简单，适合大规模制备等优点(专利200510086251.7)。由于丝素纤维作为长纤维材料不能在溶液中做无规布朗运动，受超声波自身物理学特性，如声波传输的方向性，反射、折射、散射及吸收引起的声波随距离衰减性等影响，被超声处理的丝素纤维存在一部分发生分裂，而另一部分几乎不受影响的超声不均匀性问题，从而造成超声法制备丝素纳米纤维的分纤不均匀且产率极低。针对这一问题，本专利对超声制备丝素纳米纤维的方法进行了优化，并对优化后工艺所制备的丝素纳米纤维应用于医用敷料的性质进行了表征。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对超声制备丝素纳米纤维存在的问题，提供一种高效制备丝素纳米纤维的方法，以克服现有技术存在的缺点和不足。
[0006]本发明所需要解决的技术问题，一种高效制备丝素纳米纤维的方法，可通过以下技术方案来实现:
其特征在于使用凸阵或线阵探头，超声探头和被超声丝素纤维均浸入溶液中，功率大约在200W?1750W之间，频率为5千赫兹?5兆赫兹，超声持续时间为I?24小时，超声间隔时间为超3?60s停I?10s，过程中控制被超声溶液温度在0°C?90°C之间;将被超声丝素纤维固定在方形中空或者圆形中空的平面夹具上，控制超声探头到丝素纤维所在平面的垂直距离为0.1?5cm，以O?5cm/Min的速度水平移动被超声丝素纤维所在的平面，从而制备得到丝素纳米纤维材料。
[0007]所述的丝素纤维包括家蚕、柞蚕、天蚕、野蚕及转基因蚕所吐丝、所结茧壳脱胶后加工制成的以丝素蛋白为主体形成纤维类和蚕丝织品材料。
[0008]所述的溶液指弱酸、弱碱、纯水以及超纯水中的任何一种或者多种，或者为碳酸钠、磷酸三钠、磷酸二氢钠和磷酸氢二钠中的任意2?3种混合溶液。
[0009]所述的超声功率和频率是为了保证所制备丝素纳米纤维的尺寸比较均匀且90%直径分布在300nm以内。
[0010]所述的固定丝素纤维是为了便于控制被超声材料相对超声探头的方向和距离，使超声波从特定的方向持续作用于丝素纤维，使超声波产生的能量在时间和空间上在丝素纤维表面形成叠加效应，避免超声处理的丝素纤维表面所存在的分纤不均匀现象。
[0011]所述的以一定速率水平移动丝素纤维是为了在工艺上实现丝素纳米纤维的规模化制备。
[0012]本发明通过对超声工艺条件的精细化控制可以实现直径在微米尺度的丝素纤维在超声作用下直接从单根分裂成数百根丝素纳米纤维。
[0013]本发明所制备丝素纳米纤维具有良好的亲水性、水蒸气透过性能和药物缓释性能，本专利保护其在医用敷料方面的应用。
【附图说明】
[0014]图1.超声条件未优化情况下，单根纤维超声后分纤后扫描电子显微镜图；
图2.使用本专利中的优化超声方法处理后样品的扫描电镜显微镜图，单根丝素纤维可以直接分裂成数百根纳米纤维；
图3.使用本专利中的优化超声处理方法，所制备丝素纳米纤维的直径分布区间统计图；
图4.超声条件未优化情况下，超声后，丝素纤维表面分纤不均匀性；
图5.使用本专利中的优化超声方法处理后样品的扫描电镜显微镜图，丝素纤维分纤表面呈现均匀性；
图6.使用本专利中的优化超声方法处理后样品的扫描电镜显微镜图，丝素纤维分纤表面呈现均匀性；
图7.使用本专利中的优化超声处理方法，所制备丝素纳米纤维的直径分布区间统计图；
图8.使用本专利中的优化超声方法处理后样品的扫描电镜显微镜图，可以实现丝素纳米纤维规模化制备；
图9.直径2yL液滴测定下丝素纤维与丝素纳米纤维静态接触角对比；
图10.直径8yL液滴下，丝素纤维与丝素纳米纤维静态接触角对比；
图11.丝素纤维、丝素纳米纤维与细菌纤维素(BC-Foam)水蒸气透过性能对比；
图12.丝素纤维与丝素纳米纤维药物累积释放(CRP)百分比对比。
【具体实施方式】
[0015]实施例1单根纤维在超声条件优化前后分纤情况对比
(I)超声条件未优化情况下，单根丝素纤维超声处理后分纤情况使用专利200510086251.7的方法，将丝素纤维放入超声溶液中，用1250 W功率、20 KHz频率，超3秒停I秒，时间为15 min，超声处理丝素纤维，超声对单根蚕丝纤维表面分纤的结果如扫描电子显微镜图如附图1所示，丝素纳米纤维以带状从纤维表面逐层脱落，这样易造成先进入溶液的丝素纳米纤维在超声波作用下溶解到溶液中去，随着超声时间延长，超声制备丝素纳米纤维的产率低于1%且无明显增大的趋势。由附图1可以看出，超声条件未优化情况下，丝素纳米纤维从丝素纤维表面逐层分离，且超声波对丝素纤维(直径在10?30微米之间)分纤的影响停留在表面I微米范围内。
[0016](2)使用本专利已优化超声条件下，单根丝素纤维超声处理后分纤情况使用本专利的方法，将丝素纤维放入超声溶液中，用凸阵探头，用1250 W功率、20 KHz
频率，超声持续时间为15分钟，超3秒停I秒，过程中控制被超声溶液温度为50°C，将被超声丝素纤维固定在圆形中空平面夹具上，控制超声探头到丝素纤维所在平面垂直距离为lcm，超声处理丝素纤维，单根蚕丝纤维表面分纤的结果扫描电子显微镜图如附图2所示。从图中可以看出，由于超声波从特定的方向持续作用于丝素纤维，单根丝素纤维可以直接分裂成数百根纳米纤维，避免超声处理的丝素纤维表面所存在的分纤不均匀现象，使丝素纳米纤维的产率高于50%。附图3可以看出所制备丝素纳米纤维直径在300 nm以下的约占99%。
[0017]实施例2丝素纤维在超声条件优化前后表面分纤不均匀性对比
(I)使用专利200510086251.7的方法，将丝素纤维放入超声溶液中，用1750 W功率、20KHz频率，超3秒停I秒，时间为20 min，超声处理丝素纤维，超声对蚕丝纤维表面分纤的结果如图所示，被超声丝素纤维表面如附图4所示。由于超声作用的瞬间爆发性和丝素纤维相对超声探头的位置不同，被超声作用到的纤维很容易发生分纤作用，而还残余部分纤维，似乎未受到超声作用的影响。这种这种一部分纤维发生分纤作用，而另一部分未受影响的丝素纤维分纤不均匀现象严重影响超声生成丝素纳米纤维的产率。20分钟内，丝素纳米纤维产率仅为1.2%。
[0018](2)使用本专利的方法，将丝素纤维放入超声溶液中，使用凸阵探头，用1750 W功率、20 KHz频率，超声持续时间为15分钟，超3秒停I秒，过程中控制被超声溶液温度为50°C，将被超声丝素纤维固定在圆形中空平面夹具上，控制超声探头到丝素纤维所在平面垂直距离为0.5cm，超声处理丝素纤维。由于固定了丝素纤维，超声波从特定的方向持续作用于丝素纤维，被超声纤维表面可实现纳米纤维的均匀分布，避免超声处理的丝素纤维表面所存在的分纤不均匀现象，使丝素纳米纤维的产率高于50%，附图5所示生成丝素纳米纤维在放大100倍、1000倍和10000倍时候的扫描电镜图，所得丝素纳米纤维的直径90%分布在300nm以下。
[0019]实施例3使用本专利的方法，将丝素纤维放入碳酸钠和磷酸三钠混合超声溶液预处理5小时后，将被超声丝素纤维固定在方形中空平面夹具上，控制超声探头到丝素纤维所在平面垂直距离为0.5cm，超声处理丝素纤维，使用凸阵探头，用500 W功率、20 KHz频率，超声持续时间为15分钟，超3秒停I秒，过程中控制被超声溶液温度为60°C。所得丝素纳米纤维的产率高于50%。如附图6和附图7所示，所生成丝素纳米纤维在放大100倍和10000倍时候的扫描电镜图，所得丝素纳米纤维的直径分布在300nm以下的约占99%。
[0020]实施例4使用本专利的方法，将丝素纤维放入碳酸钠和磷酸三钠混合超声溶液中，将被超声丝素纤维固定在圆形中空的平面夹具上，控制超声探头到丝素纤维所在平面垂直距离为0.5cm，以0.2cm/Min的速度水平移动被超声丝素纤维所在的平面，使用凸阵探头，用500W功率、20KHz频率，超4秒停I秒，过程中控制被超声溶液温度为60°C，超声持续时间为lh，可得直径约为8cm的丝素纳米纤维布(附图SB中黑色圆圈内区域)。
[0021]
实施例5本方法制备的丝素纳米纤维与丝素纤维的亲疏水性质对比随机剪取5块样品，分别滴直径2 μι和8 μ?的水滴5滴到介质表面不同地方，5s后通过仪器自动测定水滴轮廓与介质表面接触所成的角度来确定介质表面的亲疏水性质。Left和Right分别代表左右接触角度Θ1和Θ2的大小。通常角度大于150度表明介质表面具有超疏水性，接触角对比如下。接触角是表征固体平面材料表面亲水性能的重要的参数。材料表面的接触角越小，其亲水性越好，反之，其亲水性越差。附图9和附图10分别为直径2 μ?和8 μ?水滴接触到纤维表面1.0 S后系统自动拍下液滴的接触角数据。从表中可以看出，直径2 μ I和8μ?水滴在脱胶后丝素纤维表面呈近圆形，静态接触角分别为140.7°和135.8°，表现为疏水性，属于疏水性材料。直径2 μ?和8 yl水滴在超声后丝素纳米纤维表面成扁平状，静态接触角分别为9.7°和4.0°，表现为亲水性，属于亲水性材料。超声处理使丝素纤维发生分纤，变得更细，同时在纤维表面引入大量羟基，促使丝素纤维从疏水性纤维变为具有良好亲水性的丝素纳米纤维，有效提高了丝素纤维的生物相容性。
[0022]
实施例6本方法制备的丝素纳米纤维与丝素纤维水蒸气透过性能对比
医用敷料需要具有适当的水蒸气透过率，即具备一定的保湿性能才能维持伤口的“湿润环境” ο水蒸气透过率太高，易导致伤口渗透液流失和过渡脱水，水蒸气透过率太低，会影响机体正常新陈代谢并导致伤口恶化。35°C时，人正常皮肤水分挥发量是240 ±12 g.Hf2.cf1，而损伤皮肤水分挥发量较大，根据损伤程度，从279 ±26 g.m—2.d—1到5138 ±202 g.πΓ2.d—1不等，被推荐的医用敷料的理想水蒸气透过率在2000?2500 g.m—2.d—1之间。附图10为丝素纤维和丝素纳米纤维的水蒸气透过率值，结果显示丝素纤维水蒸气透过率平均值为1912.41 g.m"2.d"1,丝素纳米纤维的水蒸气透过率平均值为2133.74 g.m—2.d—1。丝素纳米纤维的水蒸气透过率在理想敷料的范围内，比细菌纤维素(附图11中BC-Foam)具有更好的透湿性。
[0023]实施例7本方法制备的丝素纳米纤维与丝素纤维药物缓释性能对比
选用代表性的抗生素阿莫西林为模型药物，测定所制备纳米纤维对阿莫西林的吸附缓释性能，药物释放曲线如下图所示，由附图12可以看出，丝素纳米纤维比丝素纤维有更好的药物缓释性能，其72小时的药物累积释放百分比为8%?16%之间。
【主权项】
1.一种高效制备丝素纳米纤维的方法，其特征在于使用凸阵或线阵探头，超声探头和被超声丝素纤维均浸入溶液中，功率大约在200W?1750W之间，频率为5千赫兹?5兆赫兹，超声持续时间为I?24小时，超声间隔时间为超3?60s停O?1s，过程中控制被超声溶液温度在0°C?90°C之间;将被超声丝素纤维固定在方形中空或者圆形中空的平面夹具上，控制超声探头到丝素纤维所在平面的垂直距离为0.1?5cm，以O?5cm/Min的速度水平移动被超声丝素纤维所在的夹具，从而制备得到丝素纳米纤维材料。2.权利要求1中所述的丝素纤维包括家蚕、柞蚕、天蚕、野蚕及转基因蚕所吐丝、所结茧壳脱胶后加工制成的以丝素蛋白为主体形成纤维类材料。3.权利要求1中所述的溶液指弱酸、弱碱、纯水以及超纯水中的任何一种或者多种，或者为碳酸钠、磷酸三钠、磷酸二氢钠和磷酸氢二钠中的任意2?3种混合溶液。4.本发明所制备丝素纳米纤维具有良好的亲水性、水蒸气透过性能和药物缓释性能，本专利保护其在医用敷料方面的应用。
【文档编号】A61L24/10GK105862144SQ201610204055
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月5日
【发明人】蒋彦可, 夏庆友
【申请人】西南大学