天然高分子奈米纤维及其制造方法与流程

本发明系有关于一种奈米纤维及其制造方法，特别是有关于一种天然高分子奈米纤维材料及其制造方法。

背景技术：

奈米纤维是具奈米尺寸的纤维，其纤维细度范围约落在数十至数百奈米之间，并可依据制造方法的不同，而调整其尺寸。由于奈米纤维具有高表面积，所制成之网具有低孔径分布及高孔隙率，于生医方面应用用途也逐渐成长。目前常用的奈米纤维系利用静电纺丝技术所制得。

静电纺丝技术是一种利用高压静电将聚合物溶液制备成微米或奈米级纤维的一种方法。传统静电纺丝技术所使用的材料皆为人工高分子以及有机溶剂配置；近年来，通过对天然高分子改性，电纺丝装置的改善，制备出了以天然高分子为基材，同时具有特殊结构的奈米纤维材料，但是，上述之天然高分子奈米纤维还是需要对天然高分子做化学改质以达目的，这对于天然高分子，如蛋白质等等来说会造成其结构特性的改变，对于工业、医疗、食品、传统加工等将用途大为受限，尤其在食品及医疗产业上，有机溶剂、变性变质的高分子或蛋白质皆不可用，因此，有必要发展不需要使用有机溶剂或物化改质又可用于奈米纺丝的天然高分子奈米纤维。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明系提供一种天然高分子奈米纤维，其系一天然高分子溶液于一应用场力调控纺丝制程所制得，其中该天然高分子溶液包含：一天然高分子材料、一无机盐类，及/或一酵素酶。

于一较佳实施态样中，该天然高分子材料系为选自但不限于由下列所组成之群组：明胶(gelatin)、胶原蛋白(collagen)、透明质酸(hyaluronicacid)、褐藻酸(alginate)、几丁聚醣(chitosan)。

于一较佳实施态样中，该无机盐选自但不限于由下列所组成之群组：氢氧基磷灰石(hydroxyapatite，hap)、磷酸三钙(tricalciumphosphate，tcp)、磷酸二钙(dicalciumphosphate，dcp)、磷酸二钙二水合物(dicalciumphosphatedehydrate，dcpd)、磷酸四钙(tetracalciumphosphate，ttcp)、碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐、钙、钾、钠、镁。

于一较佳实施态样中，该酵素酶系为选自由下列之群组但不限于：谷氨酰胺转胺酶、脂肪酵素(lipase)、胜肽酵素（peptidases）、转肽酵素(sortase)、氧化还原酶（oxidoreductases）、酪胺酸酶(tyrosinase)、多酚氧化酶(polyphenoloxidase;ppo)、漆氧化酶(laccase)、过氧化物酶(peroxidase)、赖氨酸氧化酶(lysyloxidase)或胺氧化酶(amineoxidases)。

于一较佳实施态样中，该应用场力系为选自由下列群组但并不限于电场、磁场或重力。

于一较佳实施态样中，该奈米纤维之平均细度为10nm至900nm。

于一较佳实施态样中，该天然高分子溶液之该天然高分子材料系0.01%(w/v)~100%(w/v)。

于一较佳实施态样中，该天然高分子溶液之无机盐类占0.01%(w/v)~100%(w/v)。

本发明另一方面系提供一种天然高分子奈米纤维之制造方法，其包含：(a)提供一天然高分子溶液，该天然高分子溶液包含：一天然高分子材料、一无机盐类，及/或一酵素酶；(b)对该天然高分子溶液施以一应用场力纺丝制程，获得该天然高分子奈米纤维。

于一较佳实施态样中，该方法中之天然高分子材料系为选自由下列所组成之群组：明胶(gelatin)、胶原蛋白(collagen)、透明质酸(hyaluronicacid)、褐藻酸(alginate)、几丁聚醣(chitosan)。

于一较佳实施态样中，该方法中之该无机盐选自由下列所组成之群组：氢氧基磷灰石(hydroxyapatite，hap)、磷酸三钙(tricalciumphosphate，tcp)、磷酸二钙(dicalciumphosphate，dcp)、磷酸二钙二水合物(dicalciumphosphatedehydrate，dcpd)、磷酸四钙(tetracalciumphosphate，ttcp)、碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐、钙、钾、钠、镁。

于一较佳实施态样中，该方法中之该酵素酶为谷氨酰胺转胺酶。

于一较佳实施态样中，该方法中之该应用场力为电场、磁场、重力。

于一较佳实施态样中，该方法进一步包含：(c)将该天然高分子奈米纤维接触一酵素酶进行外部交联。

本发明另一方面系提供一种天然高分子奈米纤维之用途，其系作为生医材料。

本发明相较于先前技术，可在不改变天然高分子材料物化性质、不使用有机溶剂，形成具有均匀纤维细度及形态的奈米纤维。由于未使用人工高分子以及有机溶剂，因此安全性大幅提升，且应用层面更广，尤其能安全地应用于食品及生物医疗产业。

附图说明

图1为本案实施例1所制得之天然高分子奈米纤维照片。

图2为本案实施例2所制得之天然高分子奈米纤维照片。

图3为本案实施例3所制得之天然高分子奈米纤维照片。

图4为本案实施例4所制得之天然高分子奈米纤维照片。

图5为本案实施例5所制得之天然高分子奈米纤维照片。

图6为本案实施例6所制得之天然高分子奈米纤维照片。

具体实施方式

除非另有定义，本文中所有技术和科学用语与本发明所属领域中具有通常知识者所理解的含义相同。如在本申请中所使用的，以下术语具有如下意涵。

除非上下文中另有指定外，本文及申请专利范围所述单数格式之「一」、「一个」、「一种」及「该」包含复数指涉。本文中之用语例如：「一」、「该」、「一或多」、「复数」及「至少为一」可互相代换。

本文所述之「包含」、「包括」、「含有」、「囊括」、「具有」也可互相代换而不受限制。

除此之外，本文所述之「和/或」、「及/或」被用作特指表达两个特定特征或组合物的其一或全部。因此，用语「和/或」用于表达语句如「a和/或b」系包含「a和b」、「a或b」、「(单独)a」「(单独)b」之意。相同的，用语「和/或」用于表达语句如「a、b和/或c」系包含如后所述之意涵：a、b和c；a、b或c；a或c；a或b；b或c；a和c；a和b；b和c；(单独)a；(单独)b；(单独)c。

本发明之一种天然高分子奈米纤维，系由一天然高分子溶液以一应用场力调控纺丝制程所制得，其中该天然高分子溶液包含：一天然高分子材料、一无机盐类，及/或一酵素酶。

本文中所称之「天然高分子材料」，系指存在于自然界而非人工合成之高分子，例如明胶、胶原蛋白、透明质酸、褐藻酸、几丁聚醣及所述天然高分子之衍生物，但不以此为限；于较佳实施例中，该天然高分子材料之重量平均分子量介于1万至20万之间，较佳系介于1.5万至15万之间，更佳系介于2万至10万之间。

本文中所称之天然高分子溶液系将上述之天然高分子材料溶于一溶剂中，该溶剂可为任何极性溶剂，于较佳实施例中，该极性溶剂为水。该天然高分子溶液之该天然高分子材料系为0.1%(w/v)~50%(w/v)，较佳约为0.5%(w/v)~40%(w/v)，更佳为1%(w/v)~30%(w/v)，例如10%(w/v)、15%(w/v)、20%(w/v)。

本文中所称之天然高分子溶液进一步包含无机盐类。本文所称之无机盐类，系为可改变天然高分子材料受电性的无机盐类，例如但不限于氢氧基磷灰石、磷酸三钙、磷酸二钙、磷酸二钙二水合物、磷酸四钙、碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐、钙、钾、钠、镁。该天然高分子溶液之该无机盐类系为0.1%(w/v)~50%(w/v)，较佳约为0.5%(w/v)~40%(w/v)，更佳为1%(w/v)~30%(w/v)，例如10%(w/v)、15%(w/v)、20%(w/v)。

上开天然高分子溶液中之天然高分子材料及无机盐类系混合1至96个小时，较佳约为12至48小时，更佳约为24至36小时，如24小时、26小时、28小时、30小时、32小时、34小时、36小时。

本文中所称之天然高分子溶液可以包含一酵素酶或不包含酵素酶。于较佳实施例中，该天然高分子溶液包含酵素酶，则该酵素酶可使该天然高分子进行内部交联，增加所制得天然高分子奈米纤维之强度。可使用之酵素酶较佳但不限于谷氨酰胺转胺酶、脂肪酵素(lipase)、胜肽酵素（peptidases）、转肽酵素(sortase)、氧化还原酶（oxidoreductases）、酪胺酸酶(tyrosinase)、多酚氧化酶(polyphenoloxidase;ppo)、漆氧化酶(laccase)、过氧化物酶(peroxidase)、赖氨酸氧化酶(lysyloxidase)、胺氧化酶(amineoxidases)，可使用之浓度在1%~100%。

本发明之天然高分子奈米纤维制备方法系为(a)提供一天然高分子溶液，该天然高分子溶液包含：一天然高分子材料、一无机盐类，及/或一酵素酶；(b)对该天然高分子溶液施以一应用场力纺丝制程，获得该天然高分子奈米纤维。

本发明之制备方法所称「应用场力纺丝制程」系指该天然高分子溶液装载至一纺丝装置中，进行一纺丝制程，并于制程中施以应用场力，包含但不限于电场、磁场、重力，带动天然高分子溶液之阴阳离子，连带带动天然高分子材料，形成奈米纤维。根据本发明之一较佳实施例，该应用场力纺丝制程系为放电纺丝制程，并具有一施加电压，该施加电压之范围为1微伏特至1000千伏特，较佳为1千伏特至70千伏特，更佳为30千伏特至50千伏特。此外，该放电纺丝制程之纺口至收集区之距离系介于1~30cm之间，且该放电纺丝制程之出液速度可不低于10μl/min。

本发明之制备方法可进一步包含一外部交联步骤，即将上述获得之天然高分子奈米纤维接触酵素交联剂中进行交联，以提升天然高分子奈米纤维之强度及延长降解时间，该交联时间可为1至96个小时，较佳约为24至48小时，如24小时、26小时、28小时、30小时、32小时、34小时、36小时、38小时、40小时、42小时、44小时、46小时、48小时等。上述之「接触」系指任何能将酵素交联剂与天然高分子奈米纤维作用之方式，例如将天然高分子奈米纤维浸泡于酵素交联剂中，或将酵素交联剂喷涂于天然高分子奈米纤维，但不限于上述方式。

以上述方法所制得之天然高分子奈米材料，其中该奈米纤维之平均细度为10nm至500nm，较佳为10nm至50nm，如10nm、20nm、30nm、40nm、50nm等。由于本发明之天然高分子奈米纤维有更佳的细度，且具提升之安全性，因此相较于人工高分子聚合物之奈米纤维，本发明之然高分子奈米纤维可更广泛地用于食品、生物医学等类别，例如可用于生医之三维打印之奈米纤维材料。

为了使任何熟习相关技艺者了解本发明之技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露之内容、申请专利范围及图式，任何熟习相关技艺者可轻易地理解本发明相关之目的及优点，因此将在实施例中详细叙述本发明之详细特征以及优点。下方实施例仅为说明，而非用于限制本案申请专利范围。

[实施例1]

配置20%(w/v)之明胶(gelatin)水溶液，并于该明胶水溶液中添加20%(w/v)氢氧基磷灰石，持续混合搅拌24小时；之后，控制温度在50^oc±5^oc，装入10ml注射器，拉丝高度60mm，射出速度2ml/hr，电场电压20kv。所得之天然高分子奈米纤维如第1图所示。

[实施例2]

与实施例1使用相同的配方，差异在于添加10wt%之酵素交联剂，其余方式皆相同；所得之天然高分子奈米纤维如图2所示。

[实施例3]

本实施例与实施例1差异在于将20%(w/v)氢氧基磷灰石换为三钙磷酸盐(tcp)，其余方式皆相同，所得之天然高分子奈米纤维如图3所示。

[实施例4]

本实施例与实施例3差异在于添加10wt%之酵素交联剂，并将射出速度调整为1.3ml/hr，电场电压13.5kv，其余方式皆相同，所得之天然高分子奈米纤维如图4所示。

[实施例5]

配置5%(w/v)之明胶(gelatin)水溶液，并于该明胶水溶液中添加5%(w/v)三钙磷酸盐，持续混合搅拌24小时；之后，控制温度在50^oc±5^oc，装入10ml注射器，拉丝高度60mm，射出速度0.9ml/hr，电场电压7kv。所得之天然高分子奈米纤维如图5所示。

[实施例6]

本实施例与实施例5差异在于添加10wt%之酵素交联剂，其余方式皆相同，所得之天然高分子奈米纤维如图6所示。

上述各实施例系用以说明本发明之特点，其目的在使熟习该技术者能了解本发明之内容并据以实施，而非限定本发明之专利范围，故凡其他未脱离本发明所揭示之精神而完成之等效修饰或修改，仍应包含在所述之申请专利范围中。