一种海藻酸钠纳米纤维的制备方法与流程

本发明涉及一种海藻酸钠纳米纤维的制备方法，尤其涉及一种基于自组装工艺的海藻酸钠纳米纤维的制备方法。

背景技术：

海藻酸钠(Sodium Alginate，SA)又名褐藻酸钠，它是由β-D-甘露糖醛酸(M段)和α-L-古洛糖醛酸(G段)通过1-4糖苷键连接而成的天然线性高分子。

由于海藻酸钠具有良好的生物相容性、可降解性、强吸湿性和止血性，使得其在药物释放、组织工程上有着广泛的应用前景。特别地，海藻酸钠纳米纤维是以海藻酸钠为原料制备而成的直径尺寸在纳米级别的纤维。由于其具有非常高的体积-表面积比，使其在组织工程、药物释放等领域具有较高的利用价值。

现有技术中，海藻酸钠纳米纤维的制备只能通过静电纺丝方法制得。由于海藻酸钠分子链呈刚性、在溶液中伸展，缺少必要的链缠结作用，在其静电纺丝液的制备中，往往需要向海藻酸钠溶液体系中添加交联剂或大量水溶性柔性高分子，才能使海藻酸钠纺丝溶液的粘度达到静电纺丝成形的工艺要求，进而保证静电纺丝的顺利进行。

不难看出，静电纺丝的主要问题或不足之处在于：一是，纺丝液的制备工艺复杂且工艺参数的控制难度大，相应地，往往造成产品质量的稳定性差或波动大；二是，静电纺丝设备造价高、运行成本相对偏高；三是，所制得的纳米纤维的直径比较大，都在几百纳米之上。严格意义上讲，并不能称之为“纳米”纤维。

技术实现要素：

本发明的目的是，提供一种工艺流程短，工艺简单易控，节能环保，所需要仪器/设备简单，制备成本低廉，产品质量好且便于长期保存的海藻酸钠纳米纤维的制备方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种海藻酸钠纳米纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，按质量份数，分别称取海藻酸钠1000份、水溶性的多价阳离子盐1～5份，备用；

第二步，将所取海藻酸钠加去离子水溶解，配制成0.01wt％～30wt％的海藻酸钠溶液；

然后，边搅拌、边将所取水溶性的多价阳离子盐加入到上述海藻酸钠溶液中，持续搅拌0.5～5h，得到混合溶液；

第三步，将所得到的混合溶液静置2～120h，即得到含有海藻酸钠纳米纤维的溶液；

上述多价阳离子盐中的阳离子的化合价为+2价或+3价。

上述技术方案直接带来的技术效果是，巧妙地利用多价阳离子诱导海藻酸钠自组装的技术原理，将海藻酸钠分子由无规线团结构形式转变为纳米纤维结构。

即，在多价阳离子诱导下，使海藻酸钠分子链与海藻酸钠分子链依次组装成一体(自组装成海藻酸钠纳米纤维)。因而简化了海藻酸钠纳米纤维的制备工艺，并大幅度地降低了工艺参数控制难度。

更为重要的是，上述技术方案的制备方法，所制得的海藻酸钠纳米纤维，形貌和大小尺寸通过改变组装条件(改变阳离子盐的种类和浓度、调节静置时间的长短)即可有效调控。

显然，上述技术方案的制备方法，相对于现有技术的静电纺丝成形工艺，其工艺简单、工艺控制难度小、产品质量稳定性好。

而且，上述技术方案的制备方法，所制得的海藻酸钠纳米纤维可以长时间地、稳定地均匀分散/储存在溶液体系中(无需额外的“分离”步骤)，因而便于储存。原因在于：

海藻酸钠在水溶液中由无规线团结构到纳米纤维结构的转变过程，是一个由无序到有序的过程，是一个熵减的过程。在这一过程中，多价阳离子的交联作用提供了能量，使得部分海藻酸钠分子链与海藻酸钠分子链紧紧的结合在一起，形成了新的结构，即纳米纤维结构；

而纳米纤维结构是一种稳定的结构，假设要使这种纳米纤维结构再变回到原来的无规线团结构，则需要提供能量，以打破多价阳离子的结合作用。假设要使这种纳米纤维再聚集(长粗、变大)，则仍然是一个熵减过程，也需要外界提供能量。

因此，上述技术方案所制得的存在于溶液体系中的海藻酸钠纳米纤维，其结构是稳定的，它的破坏过程是非自发的。

也就是说，上述技术方案的制备方法，所制得的海藻酸钠纳米纤维可以长时间地、稳定地均匀分散/储存在溶液体系中，是有理论依据的、是可靠的。

此外，上述技术方案的制备方法，所需设备极其简单、运行成本低廉(几乎不存在水、电、气、汽等公用工程消耗)，且无价格较为昂贵的化学试剂的使用/消耗，无“三废”产生，节能环保。

优选为，上述的海藻酸钠重均分子量为10kDa～600kDa。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，我们的经验表明：海藻酸钠重均分子量越大溶解度越低，10kDa的分子量的溶液最大浓度可以达到30％，而600kDa的海藻酸钠最大溶解度只有5％左右。之所以，选优/推荐海藻酸钠重均分子量为10kDa～600kDa，主要考虑到的是最终产品的产量指标、技术经济性指标的平衡与合理性。

事实上，我们的研究证明：本发明的海藻酸钠自组装纳米纤维的制备方法，其适用于任何分子量的海藻酸钠(原料)。

优选为，上述的海藻酸钠重均分子量为250a～450kDa。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，选择海藻酸钠重均分子量为250a～450kDa(这一中间区段的重均分子量数值范围)的效果最好，不仅获得较高浓度的纳米纤维溶液，还能保证纳米纤维间的链缠结。

因为，海藻酸钠的重均分子量太大，溶解度较低，不利于制备较高浓度的纳米纤维溶液；而且海藻酸钠重均分子量越大，分子链越长，越不利于重新聚集形成一个有序结构；

海藻酸钠的分子量太小就会使得分子链太短，有效的链缠结也相应的降低，从而大大地降低了纳米纤维的强度，纳米纤维的尺寸也较小。

进一步优选，上述多价阳离子盐中的阳离子为Ca²⁺、、Zn²⁺、Cu²⁺、Al³⁺或Fe³⁺。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，优先选择Ca²⁺、、Zn²⁺、Cu²⁺、Al³⁺或Fe³⁺的水溶性盐，这主要是基于原料易于获取、原料成本相对较低等因素的综合考虑。

进一步优选，上述的海藻酸钠自组装纳米纤维的制备方法，所制得的海藻酸钠纳米纤维直径为5～100nm、长度为300～2500nm。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，将海藻酸钠纳米纤维的直径、长度分别控制在一个相对较窄的数值范围，有利于产品质量的均匀性与稳定性，利于后续的海藻酸钠纳米纤维的应用。

需要说明的是，本发明的海藻酸钠自组装纳米纤维的制备方法，可以十分简便地通过工艺参数/工艺条件的调节，得到不同直径、不同长度尺寸的海藻酸钠纳米纤维。例如，使用较大的重均分子量的海藻酸钠，就可以得到尺寸较大的纳米纤维；增加多价阳离子的浓度，也可以获得大尺寸的纤维；反之，则反之。

说明：为保证海藻酸钠溶液质量，确保海藻酸钠得到快速的、充分的溶解，上述0.01wt％～30wt％的海藻酸钠溶液最好是采用如下方法配制：

在室温下，边搅拌、边加入去离子水以使海藻酸钠溶解，并持续搅拌0.5～6h；然后，升温至50℃，并持续搅拌2-5h，即得海藻酸钠溶液。

因为海藻酸钠的完全溶解是需要长时间搅拌的，尤其是对于高浓度的海藻酸钠(>5％)，需要更长的时间使得海藻酸钠粉末，先溶胀、再溶解。为了保证整个海藻酸钠溶液体系的均一性，我们的经验表明：最好在50℃左右，再搅拌一段时间，效果更好。因为，升高温度，有利于分子链的运动，更利于海藻酸钠的溶解。

为了更好地理解本发明，下面对多价阳离子盐诱导海藻酸钠大分子自组装成海藻酸钠纳米纤维的技术原理，进行详细的解释与说明。

当水溶性的海藻酸钠的溶液与多价金属离子M²⁺(如Ca²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺等)或M³⁺(如Al³⁺、Fe³⁺等)混合后，海藻酸钠大分子上两段均聚的G嵌段经过协同作用相结合，中间形成了钻石形的亲水空间，这些空间被M²⁺占据时，M²⁺与G单元上的羧基上和羟基上的多个O原子发生静电吸引从而产生螯合作用，使得得更紧密，协同作用更强。在其结构中，M²⁺像鸡蛋一样位于蛋盒中，故称其与G嵌段形成了“蛋-盒”结构。

当水溶性的海藻酸钠的溶液与三价金属离子M³⁺(如Al³⁺、Fe³⁺等)混合后，海藻酸链间结合作用，也依赖于G区的数量和长度。

但是，不同于M²⁺与G单元形成钻石形的亲水空间，M³⁺由于价态变化以及原子核大小的不同，会同时吸引多个分子链上G单元的O原子发生螯合作用，从而形成不稳定的空间网络结构。即，海藻酸链间结合得不如M²⁺紧密。

当添加的多价阳离子浓度较小时(C<C₁)时，海藻酸钠分子链间的作用力较弱，不能使得分子链发生聚集形成新的结构，仍然保留原来的无规线团结构；

当添加的多价阳离子达到一定浓度(C>C₂)时，海藻酸钠分子的链与链间的相互作用较强，使得大量的海藻酸钠分子链间错综复杂的相互结合在一起，最终将会导致三维网络结构的形成(即凝胶)。

只有当添加的多价阳离子浓度适中时(C₁<C<C₂)，才能使得海藻酸钠分子链之间的作用力适中，使得少量的分子链间相互结合在一起，最终将会导致新的结构即纳米纤维结构的形成。

本发明正是建立在对这一客观规律的“发现/认识”的基础上，进而巧妙地“利用”这一客观规律，通过对对多价阳离子盐与海藻酸钠相对浓度的选择，进而形成的技术方案。

需要说明的是，本发明的技术关键点在于，合理控制多价阳离子的种类和多价阳离子盐与海藻酸钠的相对浓度。

综上所述，本发明相对于现有技术，具有工艺流程短，工艺简单、易控，节能环保，所需要仪器/设备简单，制备成本低廉，产品质量好且便于长期保存等有益效果。

附图说明

图1为本发明的自组装原理示意图；

图2为实施例1所制得的海藻酸钠纳米纤维的透射电镜照片；

图3为实施例2所制得的海藻酸钠纳米纤维的透射电镜照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细说明。

说明：

1、以下各实施例中，所用海藻酸钠均为市售产品，重均分子量均为10kDa～600kDa。

2、以下各实施例中，所用水溶性的多价阳离子盐(包括但不限于：CaCl₂、AlCl₃、ZnSO₄、Cu(NO₃)₂)均为市售产品。

3、以下各实施例中，产品的检测检验方法均为：使用透射电子显微镜(TEM)观测。

实施例1

取5.5g重均分子量为330kDa的海藻酸钠加入到100ml的去离子水中，进过充分搅拌得到海藻酸钠溶液；

称取0.08g的CaCl₂添加到上述溶液中，经过充分的搅拌得到均一的混合溶液；

再将上述混合溶液经过96h的静置，以使海藻酸钠在Ca²⁺的诱导下自组装，得到具有海藻酸钠自组装纳米纤维溶液。

产品检测指标：纳米纤维直径为15nm，长度为750nm。

实施例2

取25.0g重均分子量为10kDa的海藻酸钠加入到100ml的去离子水中，进过充分搅拌得到海藻酸钠溶液；

称取0.15g的CaCl₂添加到上述溶液中，经过充分的搅拌得到均一的混合溶液；

再将上述混合溶液经过48h的静置，以使海藻酸钠在Ca²⁺的诱导下自组装，得到具有海藻酸钠自组装纳米纤维溶液。

产品检测指标：纳米纤维直径为45nm，长度为1000nm。

实施例3

取0.5g重均分子量为500kDa的海藻酸钠加入到100ml的去离子水中，进过充分搅拌得到海藻酸钠溶液；

称取0.001g的MgCl₂添加到上述溶液中，经过充分的搅拌得到均一的混合溶液；

再将上述混合溶液经过24h的静置，以使海藻酸钠在Mg²⁺的诱导下自组装，得到具有海藻酸钠自组装纳米纤维溶液。

产品检测指标：纳米纤维直径为15nm，长度为1600nm。

实施例4

取10.8g重均分子量为240kDa的海藻酸钠加入到100ml的去离子水中，进过充分搅拌得到海藻酸钠溶液；

称取0.055g的ZnSO₄添加到上述溶液中，经过充分的搅拌得到均一的混合溶液；

再将上述混合溶液经过54h的静置，以使海藻酸钠在Zn²⁺的诱导下自组装，得到具有海藻酸钠自组装纳米纤维溶液。

产品检测指标：纳米纤维直径为26nm，长度为560nm。

实施例5

取23g重均分子量为450kDa的海藻酸钠加入到1000ml的去离子水中，进过充分搅拌得到海藻酸钠溶液；

称取0.25g的Cu(NO₃)₂添加到上述溶液中，经过充分的搅拌得到均一的混合溶液；

再将上述混合溶液经过25h的静置，以使海藻酸钠在Cu²⁺的诱导下自组装，得到具有海藻酸钠自组装纳米纤维溶液。

纳米纤维直径为10nm，长度为1560nm。

实施例6

除海藻酸钠的重均分子量为600kDa、多价阳离子盐为AlCl₃之外；

其余，均同实施例2。

产品检测指标：纳米纤维直径为42nm，长度为980nm。

实施例7

除多价阳离子盐为FeCl₃之外；其余，均同实施例6。

产品检测指标：纳米纤维直径为42nm，长度为985nm。

实施例8

除多价阳离子盐为AlCl₃之外；其余，均同实施例6。

产品检测指标：纳米纤维直径为42nm，长度为982nm。

为更好地理解本发明，下面结合附图，作进一步的解释与说明。

如图1所示，长线状的是SA(海藻酸钠)的无规线团形式的分子链，当加入适量的多价阳离子后，SA分子链上的羧基会与多价阳离子形成“蛋-盒”结构，使得分子链相互结合在一起，形成纳米纤维结构。

如图2所示，可以清晰地看到大量的纳米纤维的存在：纤维的直径在20nm-35nm之间，纤维的长度在2500nm-3000nm之间。其中，有的呈线型、有的呈枝化型。

如图3所示，纳米纤维的直径大约在50nm-60nm之间，纤维的长度在3000nm左右。其中，有的呈枝化型，有的呈线型。

结合图2和图3，不难理解，本发明的方法，对于所制得的海藻酸钠纳米纤维的尺寸不仅是可控，并且是“容易”控制的。

需要特别强调的是，基于本发明的技术原理，对于本发明中所涉及到的“多价阳离子盐”，绝不仅仅限于上述实施例中所列举的CaCl₂、MgCl₂、AlCl₃、ZnSO₄或Cu(NO₃)₂这几种；而是，包括所有的水溶性的多价阳离子盐。

此外，本发明的方法，在对于多价阳离子盐与海藻酸钠的相对浓度指标较低的特定情形下，我们已有的实验表明：

在颗粒粒径足够细小的前提下，使用某些微溶于水、甚至是难溶于水的多价阳离子盐(例如，CaCO₃)，也是可以诱导海藻酸钠自组装，进而制备出海藻酸钠纳米纤维的。