一种天然高分子空心微球的制备方法与流程

技术领域

本发明属于天然高分子材料领域，具体涉及一种天然高分子空心微球的制备方法。

背景技术：

空心微球具有较大的比表面积，在药物控制释放、人造细胞、催化剂、微反应器、锂离子电池、环境处理等领域有巨大的应用前景，吸引了越来越多研究者的注意(Zhou, et al.,2016)。天然高分子空心微球具有良好生物相容性、降解性、无毒性，在生物医药、组织工程、生物技术等领域已经被广泛地应用(Yang, et al.,2009)。

甲壳素、壳聚糖、纤维素是被广泛应用的天然高分子，基于其优越的生物性质，如生物相容性、生物降解性及物理性质，如成凝胶性、亲水性质、良好的力学性能，它们在生物医用和生物技术领域具有广泛的应用(Sashiwa & Aiba, 2004)。但是，这些天然高分子存在大量分子间和分子内氢键，只溶于少数溶剂中(Ravi Kumar, 2000)。研究报道了碱（NaOH、LiOH、KOH）/尿素、硫脲体系在低温下可以溶解甲壳素、壳聚糖、纤维素，基于此溶剂，通过乳液法可以制备微球材料(Zhang, et al.,2015)。

然而，乳液法在制备天然高分子微球过程中的反应所需时间较长，且产率较低，制备过程复杂，需要用到有毒的交联剂，破坏了其中药物和分子的活性(Shi, et al.,2014)。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种绿色环保的甲壳素、纤维素、壳聚糖空心微球的制备方法，所制备的甲壳素、纤维素、壳聚糖空心微球具有良好的生物相容性，制备过程简单，适合于大规模生产。

本发明所提供的制备天然高分子空心微球的方法是：

配制天然高分子溶液，所述天然高分子是甲壳素、壳聚糖或纤维素，得到的天然高分子溶液的浓度为0.001 wt%～8 wt%；配制天然高分子溶液所用的溶剂为KOH、LiOH、NaOH中的一种或者组合与尿素或硫脲的混合溶液；

采用静电液滴法制备天然高分子空心微球，将天然高分子溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为3 cm～100 cm，针尖和接收装置之间施加0Kv～30Kv的电压，泵的推动速度为0.1 ml h^-1～1000 ml h^-1，接收装置中的凝固液为液氮；

将在液氮中形成的天然高分子微球放入冻干机中干燥至其中的所有水分都去除为止，将冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到天然高分子空心微球。

制备甲壳素、壳聚糖空心微球中甲壳素、壳聚糖的来源可以为虾、蟹、鱿鱼等海洋动物，苍蝇、蚕蛹、蟑螂等昆虫，以及真菌的细胞壁。

制备纤维素空心微球中纤维素的来源可以为麻、麦秆、稻草、甘蔗渣、细菌纤维素、海藻、木材及棉花。

配制天然高分子溶液的溶剂中，KOH的浓度为5 wt%～20 wt%、LiOH的浓度为5 wt%～20 wt%、NaOH的浓度为5wt%～50wt%、尿素或硫脲的浓度为4 wt%～12 wt%。

制备甲壳素、壳聚糖、纤维素空心微球所用的方法是静电液滴法。针尖和接收装置之间的距离为3 cm～100 cm。针尖和接收装置之间的电压为0 Kv～30 Kv。推动泵所使用的速度为0.1 ml h^-1～1000 ml h^-1。

将形成的甲壳素、纤维素、壳聚糖微球干燥至其中的所有水分都去除，干燥方式为冷冻干燥，冻干的温度为-20～-80℃。

在甲壳素、纤维素、壳聚糖加入其他材料，如高分子材料、无机材料等，可以制备混合空心微球。

本发明通过静电液滴法以液氮为凝固剂制备甲壳素、壳聚糖、纤维素微球，具有操作简单、可进行大规模制备、微球粒径可控、绿色环保等优点。利用液氮极低的温度（常压下-196℃），可以使高分子溶液迅速成球，而不掺杂任何有毒交联剂，可以最大限度保持药物及分子的活性。相较于其他成球方法，通过静电液滴法以液氮作为凝固剂制备空心微球具有明显的优势。

与现有技术相比，本发明具有以下的优点和有益效果：

1、本发明通过静电液滴法制备甲壳素、纤维素、壳聚糖微球，方法简单，易操作、环境友好，适用于大规模化生产。

2、制备甲壳素、纤维素、壳聚糖微球所使用的凝固液为液氮，无需使用有毒的交联剂，可以最大限度保持甲壳素、纤维素、壳聚糖的结构及安全性。

3、本发明制备甲壳素、纤维素、壳聚糖微球具有空心结构。

4、本发明制备的甲壳素、纤维素、壳聚糖空心微球具有良好的生物相容性，可广泛应用于生物医药、农业及环境保护等领域。

附图说明

图1实施例8所制备的甲壳素空心微球的光学显微镜照片。

图2实施例20所制备的壳聚糖空心微球的光学显微镜照片。

图3实施例29所制备的纤维素空心微球的光学显微镜照片。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明，不能理解为本发明的保护范围限制，本领域的技术人员根据上述发明的内容作出一些非本质的改变和调整，均属于本发明的保护范围。

实施例1：

将甲壳素粉末分散于20 wt% KOH、50 wt% NaOH、12 wt%尿素的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为0.001 wt%。将甲壳素溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为3 cm，针尖和接收装置之间的电压0Kv，泵的推动速度为0.1ml h^-1，凝固液为液氮,将甲壳素球放入-20℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的甲壳素空心微球。

实施例2：

将甲壳素粉末分散于20 wt% KOH、50 wt% NaOH、12 wt%硫脲的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为8 wt%。将甲壳素溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为3 cm，针尖和接收装置之间的电压0Kv，泵的推动速度为0.1 ml h^-1，凝固液为液氮,将甲壳素球放入-20℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的甲壳素空心微球。

实施例3：

将甲壳素粉末分散于20 wt% KOH、20 wt% LiOH、12 wt%尿素的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为0.001 wt%。将甲壳素溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为100 cm，针尖和接收装置之间的电压0Kv，泵的推动速度为0.1 ml h^-1，凝固液为液氮,将甲壳素球放入-20℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的甲壳素空心微球。

实施例4：

将甲壳素粉末分散于20 wt% KOH、20 wt% LiOH、50 wt% NaOH的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为0.001 wt%。将甲壳素溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为100 cm，针尖和接收装置之间的电压30Kv，泵的推动速度为0.1 ml h^-1，凝固液为液氮,将甲壳素球放入-20℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的甲壳素空心微球。

实施例5：

将甲壳素粉末分散于20 wt% LiOH、50 wt% NaOH、12 wt%尿素的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为0.001 wt%。将甲壳素溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为100 cm，针尖和接收装置之间的电压0Kv，泵的推动速度为1000 ml h^-1，凝固液为液氮,将甲壳素球放入-20℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的甲壳素空心微球。

实施例6：

将甲壳素粉末分散于5 wt% KOH、8 wt% LiOH、12 wt%尿素的混合液中，在-30 ℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为0.001 wt%。将甲壳素溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为100 cm，针尖和接收装置之间的电压0Kv，泵的推动速度为0.1 ml h^-1，凝固液为液氮,将甲壳素球放入-80℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的甲壳素空心微球。

实施例7：

将甲壳素粉末分散于5 wt% LiOH、8 wt% NaOH、12 wt%尿素的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为0.5 wt%。将甲壳素溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为100 cm，针尖和接收装置之间的电压10 Kv，泵的推动速度为10 ml h^-1，凝固液为液氮,将甲壳素球放入-45℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的甲壳素空心微球。

实施例8：

将甲壳素粉末分散于5 wt% LiOH、8 wt% NaOH、12 wt%尿素的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为2 wt%。将甲壳素溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为20 cm，针尖和接收装置之间的电压9 Kv，泵的推动速度为10 ml h^-1，凝固液为液氮,将甲壳素球放入-45℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的甲壳素空心微球。

实施例9：

将甲壳素粉末分散于20 wt% KOH、12 wt%尿素的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为0.1 wt%。将甲壳素溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为20 cm，针尖和接收装置之间的电压9Kv，泵的推动速度为5 ml h^-1，凝固液为液氮,将甲壳素球放入-30℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的甲壳素空心微球。

实施例10：

将甲壳素粉末分散于20 wt% LiOH、12 wt%尿素的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为2 wt%。将甲壳素溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为10 cm，针尖和接收装置之间的电压6 Kv，泵的推动速度为10 ml h^-1，凝固液为液氮,将甲壳素球放入-45℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的甲壳素空心微球。

实施例11：

将甲壳素粉末分散于50 wt% NaOH、12 wt%硫脲的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为1 wt%。将甲壳素溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为5 cm，针尖和接收装置之间的电压15 Kv，泵的推动速度为6 ml h^-1，凝固液为液氮,将甲壳素球放入-80℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的甲壳素空心微球。

实施例12：

将甲壳素粉末分散于20 wt% KOH、20 wt% LiOH、50 wt% NaOH、12 wt%尿素的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为1 wt%。将甲壳素溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为5 cm，针尖和接收装置之间的电压15 Kv，泵的推动速度为6 ml h^-1，凝固液为液氮,将甲壳素球放入-80℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的甲壳素空心微球。

实施例13：

将甲壳素粉末分散于20 wt% KOH、20 wt% LiOH、50 wt% NaOH、12 wt%硫脲的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为1 wt%。将甲壳素溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为5 cm，针尖和接收装置之间的电压15 Kv，泵的推动速度为6 ml h^-1，凝固液为液氮,将甲壳素球放入-80℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的甲壳素空心微球。

实施例14：

将甲壳素粉末分散于5 wt% KOH、20 wt% LiOH、50 wt% NaOH、12 wt%硫脲的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为1 wt%。将甲壳素溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为5 cm，针尖和接收装置之间的电压15 Kv，泵的推动速度为6 ml h^-1，凝固液为液氮,将甲壳素球放入-80℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的甲壳素空心微球。

实施例15：

将甲壳素粉末分散于20 wt% KOH、5 wt% LiOH、50 wt% NaOH、12 wt%硫脲的混合液中，在-30 ℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为1 wt%。将甲壳素溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为5 cm，针尖和接收装置之间的电压15 Kv，泵的推动速度为6 ml h^-1，凝固液为液氮,将甲壳素球放入-80℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的甲壳素空心微球。

实施例16：

将甲壳素粉末分散于20 wt% KOH、20 wt% LiOH、5 wt% NaOH、12 wt%硫脲的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为1 wt%。将甲壳素溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为5 cm，针尖和接收装置之间的电压15 Kv，泵的推动速度为6 ml h^-1，凝固液为液氮,将甲壳素球放入-80℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的甲壳素空心微球。

实施例17：

将甲壳素粉末分散于20 wt% KOH、20 wt% LiOH、50 wt% NaOH、4 wt%硫脲的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为1 wt%。将甲壳素溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为5 cm，针尖和接收装置之间的电压15 Kv，泵的推动速度为6 ml h^-1，凝固液为液氮,将甲壳素球放入-80℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的甲壳素空心微球。

实施例18：

将甲壳素粉末分散于20 wt% KOH、20 wt% LiOH、5 wt% NaOH、4 wt%尿素的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为1 wt%。将甲壳素溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为5 cm，针尖和接收装置之间的电压15 Kv，泵的推动速度为6 ml h^-1，凝固液为液氮,将甲壳素球放入-80℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的甲壳素空心微球。

实施例19：

将壳聚糖粉末分散于20 wt% KOH、20 wt% LiOH、50 wt% NaOH、12 wt%硫脲的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为1 wt%。将壳聚糖溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为5 cm，针尖和接收装置之间的电压0 Kv，泵的推动速度为6 ml h^-1，凝固液为液氮,将壳聚糖球放入-30℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的壳聚糖空心微球。

实施例20：

将壳聚糖粉末分散于5 wt% KOH、20 wt% LiOH、12 wt%硫脲的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为1 wt%。将壳聚糖溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为5 cm，针尖和接收装置之间的电压9 Kv，泵的推动速度为6 ml h^-1，凝固液为液氮,将壳聚糖球放入-20℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的壳聚糖空心微球。

实施例21：

将壳聚糖粉末分散于20 wt% KOH、5 wt% LiOH、50 wt% NaOH、12 wt%硫脲的混合液中，在-30 ℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为1 wt%。将壳聚糖溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为5 cm，针尖和接收装置之间的电压15 Kv，泵的推动速度为6 ml h^-1，凝固液为液氮,将壳聚糖球放入-45℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的壳聚糖空心微球。

实施例22：

将壳聚糖粉末分散于20 wt% KOH、20 wt% LiOH、5 wt% NaOH、12 wt%硫脲的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为1 wt%。将壳聚糖溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为5 cm，针尖和接收装置之间的电压15 Kv，泵的推动速度为6 ml h^-1，凝固液为液氮,将壳聚糖球放入-80℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的壳聚糖空心微球。

实施例23：

将壳聚糖粉末分散于20 wt% KOH、20 wt% LiOH、50 wt% NaOH、4 wt%硫脲的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为1 wt%。将壳聚糖溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为5 cm，针尖和接收装置之间的电压15 Kv，泵的推动速度为6 ml h^-1，凝固液为液氮,将壳聚糖球放入-80℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的壳聚糖空心微球。

实施例24：

将壳聚糖粉末分散于20 wt% KOH、20 wt% LiOH、5 wt% NaOH、4 wt%尿素的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为1 wt%。将壳聚糖溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为5 cm，针尖和接收装置之间的电压15 Kv，泵的推动速度为6 ml h^-1，凝固液为液氮,将壳聚糖球放入-80℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的壳聚糖空心微球。

实施例25：

将纤维素粉末分散于20 wt% KOH、20 wt% LiOH、50 wt% NaOH、12 wt%硫脲的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为1 wt%。将纤维素溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为5 cm，针尖和接收装置之间的电压0 Kv，泵的推动速度为6 ml h^-1，凝固液为液氮,将纤维素球放入-30℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的纤维素空心微球。

实施例26：

将纤维素粉末分散于5 wt% KOH、20 wt% LiOH、50 wt% NaOH、12 wt%硫脲的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为1 wt%。将纤维素溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为5 cm，针尖和接收装置之间的电压9 Kv，泵的推动速度为6 ml h^-1，凝固液为液氮,将纤维素球放入-45℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的纤维素空心微球。

实施例27：

将纤维素粉末分散于20 wt% KOH、5 wt% LiOH、50 wt% NaOH、12 wt%硫脲的混合液中，在-30 ℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为1 wt%。将纤维素溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为5 cm，针尖和接收装置之间的电压15 Kv，泵的推动速度为6 ml h^-1，凝固液为液氮,将纤维素球放入-80℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的纤维素空心微球。

实施例28：

将纤维素粉末分散于20 wt% KOH、20 wt% LiOH、5 wt% NaOH、12 wt%硫脲的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为1 wt%。将纤维素溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为5 cm，针尖和接收装置之间的电压0 Kv，泵的推动速度为6 ml h^-1，凝固液为液氮,将纤维素球放入-80℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的纤维素空心微球。

实施例29：

将纤维素粉末分散于10 wt% NaOH、12 wt%硫脲的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为1 wt%。将纤维素溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为5 cm，针尖和接收装置之间的电压0 Kv，泵的推动速度为6 ml h^-1，凝固液为液氮,将纤维素球放入-45℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的纤维素空心微球。

实施例30：

将纤维素粉末分散于20 wt% KOH、20 wt% LiOH、5 wt% NaOH、4 wt%尿素的混合液中，在-30℃下结成冰，放置12小时，后在室温下解冻成溶液，浓度为1 wt%。将纤维素溶液装入针筒，针尖和接收装置之间的距离为5 cm，针尖和接收装置之间的电压15 Kv，泵的推动速度为6 ml h^-1，凝固液为液氮,将纤维素球放入-80℃冻干机中干燥。冻干后的微球放入水中漂洗至中性，再一次冷冻干干燥得到中性的纤维素空心微球。