专利名称：一种制备非水溶性丝素纳米微晶粉体的方法
技术领域：
本发明涉及一种制备非水溶性丝素纳米微晶粉体的方法。属于天然高分子材料领域，这种非水溶性丝素纳米微晶粉体可广泛应用于生物医用材料和化学化工等行业。
背景技术：
天然高分子具有多种功能基团，可以通过化学、物理方法改性为新材料，也可以通过新兴科学技术制备出各种功能材料。因此成为材料科学现今最为活跃的研究领域之一。 随着纳米技术的发展，出现了天然高分子纳米材料，如纳米纤维、纳米膜、纳米颗粒、纳米微球等。天然高分子纳米材料可广泛应用于生物功能材料等领域，例如，可用于酶的固定化、 生物大分子的分离和提取技术以及生物防御系统。天然高分子纳米颗粒与一般无机纳米颗粒相比，它们具有可再生性、来源广泛、密度低等特点，并且表面有许多功能基可以参加接枝反应。纳米粒子具备与宏观颗粒不同的特殊体积效应和表面界面效应，从而表现出独特的物理和化学特性，由此为制备高性能、多功能复合材料开辟了一个全新的途径。许多天然高分子本身含有较高的结晶区，如纤维素、淀粉、甲壳素等，可以通过盐酸或硫酸降解得到不同形状的纳米级微晶或晶须。研究表明，天然高分子晶须可明显增强高分子材料的生物相容性、抗菌性、耐水性、力学强度和弹性模量等性能。根据尺寸和性质的不同，天然高分子纳米材料在生物医药、化妆品及日用护肤、环保、光学等领域具有广阔的应用前景。正因为天然高分子纳米材料存在极大的应用价值，因此其制备方法、性能及应用开发成为目前国内、外研究热点之一。例如，蚕丝丝素是从蚕丝中提取的一种天然高分子蛋白，约占蚕丝重量的70%，它具有独特的分子结构、优良的机械性能、与机体有良好的生物相容性。尤其是丝素具有较高的结晶度，其分子本身含有较高的结晶区，因此可通过物理或化学改性方法制备高结晶度的丝素纳米颗粒。目前丝素纳米颗粒制备方法的研究很有限， 而且主要采用将丝素在不同溶剂中溶解，透析后，加入有机溶剂使丝素以纳米颗粒析出，或将透析后的丝素溶液酶解后冷冻干燥等办法制备丝素纳米颗粒或微球。例如，中国专利公开号为CN1834240A，
公开日为2006年9月20日，发明名称为“固定化酶的丝素纳米颗粒的制备方法”的申请案。该申请案公开了将酶与水溶性丝素溶液混合后，注入到高速搅动的过量水溶性有机溶剂中，形成乳白色结晶性丝素颗粒，经过滤或离心去除有机溶剂后，制成结晶性的固定化酶丝素纳米颗粒。该方法的缺点在于所采用的是水溶性丝素，其分子量不大，因此在丝素溶液与有机溶剂混合过程中，丝素溶出的收率很低，而且有机溶剂用量很大，存在难以工业化的不足。公开号为中国专利公开号为CN101168763A，
公开日2008年4 月30日，发明名称为“一种纳米蚕丝丝素蛋白粉的制备方法”申请案。该申请案公开了采用 50 60wt% NaSCN盐溶液或LiBr、CH30H、H2O配成的混合溶剂体系溶解丝素蛋白，透析浓缩后，酶解，冷冻干燥或经离心蒸发干燥收集得到粒径大小为80-500nm的丝素纳米颗粒。该方法的不足在于由于酶的降解反应活性高，与丝素溶液混合后，迅速发生酶切反应，难以控制酶切程度，导致所得丝素纳米颗粒粒径难以控制；另外，丝素溶解过程复杂，所使用的溶剂为高浓度的盐溶液，透析过程中高浓度的盐离子难以透析完全，残留离子可导致酶失去活性从而使酶解反应难以正常进行。此外，上述方法的共同缺点是都需将丝素溶解后再生制备丝素纳米颗粒，在丝素溶解过程中，丝素结晶区的β-折叠结构被破坏，在水溶液中呈无规线团结构，因此，在丝素溶液与有机溶剂混合过程中，或直接冷冻干燥时，溶出的丝素蛋白主要呈无规线团结构，结晶度低。故所得纳米颗粒尽管具有纳米尺度，但很难形成天然丝素蛋白本身具有的结构，因而部分丧失了丝素蛋白原有的优良性能，如再生的无规线团结构的丝素纳米粉体作为生物医用材料应用或作为药物载体时，在体内生物降解速度过快，达不到预期的效果。因此，采用上述方法存在制备工艺复杂，造成有机溶剂污染较严重， 制备过程中严重破坏了丝素的二级结构从而影响其原有的优良性能，以及难以工业化等问题。因此急需寻求更好的制备方法，在不需溶解的条件下，将天然高分子直接酸解制备纳米颗粒具有理论上和实践上的可行性，已成功应用于多糖类天然高分子晶须(如纤维素晶须、淀粉晶须、甲壳素晶须)的制备，但在非水溶性丝素蛋白纳米颗粒制备上的应用未见报道。
发明内容
针对上述技术存在的不足，本发明的目的是提供一种工艺简便，污染小，所得产品具有很好的增强增韧效果、生物相容性和生物降解性，以及高结晶度的非水溶性丝素纳米微晶粉体的制备方法。为实现上述目的，本发明提供的技术方案是一种制备非水溶性丝素纳米微晶粉体的方法，所述的制备方法包括以下步骤a将蚕丝在0. 5wt%的Na2CO3水溶液中煮沸40min，用去离子水清洗甩干后得到丝素蛋白纤维，真空干燥，干燥温度为50°C，干燥时间为12h，将干燥后的丝素蛋白纤维磨制成平均粒径< 3 μ m的丝素粉体。b将经a步骤得到的平均粒径彡3 μ m的丝素粉体在室温下按照丝素粉体和H2SO4 重量比1 10 40混配成丝素粉体悬浊液，其中H2SO4溶液的浓度为40 85wt%。c将经b步骤得到的悬浊液，升温至40 80°C，经机械搅拌0. 5 6h，然后冷却至室温。d将浓度彡20wt %的NaOH溶液加入到经c步骤酸解后的丝素粉体悬浊液中进行中和，其中NaOH和H2SO4的摩尔比为2 1，将中和反应后的悬浊液在水中透析3 7天， 经离心机离心30min，再经冷冻干燥机在-50°C下冷冻干燥36h得非水溶性丝素纳米微晶粉体。由于采用了以上技术方案，本发明的技术方案针对丝素粉体的结构特点，即丝素是由结构排列规整的结晶区和疏松的非结晶区组成，其中结晶区中的有序排列的纳米纤维和短程有序排列的聚合物链性质稳定，对宏观力学性能有重大影响，非结晶区呈无规结构，性质不稳定，易于被酸降解，采用硫酸溶液在不同温度下酸解不同时间来降解丝素粉体中的非晶态部分，使得丝素粉体中的结晶区以纳米颗粒的形式存在；丝素粉体的粒径较小
3 μ m)，表面积大，在酸解过程中，酸解效率高且酸解均勻，可保持丝素蛋白结晶区中的二级结构不被破坏，更好的保持丝素原有的优良结构和性能，同时，非结晶区经酸降解后， 得到的丝素纳米微晶粉体具有高的结晶度。采用调节硫酸的浓度，温度和酸解时间控制非结晶区的降解程度以及控制所得颗粒的粒径大小。用20wt% NaOH溶液中和酸解后剩余的酸，避免酸解结束后残余的酸继续降解丝素，引起丝素蛋白分子量的进一步减小，中和完全后，经透析、离心、冷冻干燥，最后可得到结晶度和粒径不同的丝素纳米微晶粉体。制备过程中，无需配置盐溶液将丝素粉体溶解，也无需使用有机溶剂溶出丝素，简化了制备过程的操作步骤和流程，同时也提高了丝素纳米粉体的收率。本发明制备非水溶性丝素纳米微晶粉体的方法与已有技术相比具有以下优点制备方法具有操作简单，成本低廉，工序简便，减少了环境污染，也降低了生产成本。由此制备方法得到的非水溶性丝素纳米微晶粉体收率高，可达50 85%，粒径大小为40 200nm， 作为化妆品添加剂时可大大提高其效率；所得非水溶性纳米微晶粉体可达50 85%的结晶度，较高的结晶度可延缓其在生物体内的降解速度，用作药物载体时可控制药物缓慢释放，提高药效；实验表明，本方法所得的非水溶性丝素纳米微晶粉体在聚氨酯基质中分布均勻，可同时提高聚氨酯材料的断裂强度、杨氏模量和断裂伸长率，其较小的粒径和高的结晶度，赋予其具有良好的增强和增韧效果。因此，可广泛应用于制备生物医用纳米复合材料， 在日用保洁护肤及化妆品等领域也具有广阔的应用前景。
具体实施例方式以下结合具体的实施例对本发明的技术方案和应用作进一步说明一种制备非水溶性丝素纳米微晶粉体的方法，所述的制备方法包括以下步骤a将蚕丝在0. 5wt%的Na2CO3水溶液中煮沸40min，用去离子水清洗甩干后得到丝素蛋白纤维，真空干燥，干燥温度为50°C，干燥时间为12h，将干燥后的丝素蛋白纤维磨制成平均粒径< 3 μ m的丝素粉体，除了真空干燥外，也可采用其它干燥方法干燥水洗后的丝素蛋白纤维，干燥后的丝素蛋白纤维可采用球磨机磨制或其它方法达到所需的粒径。b将经a步骤得到的平均粒径彡3 μ m的丝素粉体在室温下按照丝素粉体和H2SO4 重量比1 10 40混配成丝素粉体悬浊液，其中H2SO4溶液的浓度为40 85wt%。c将经b步骤得到的悬浊液，升温至40 80°C，经机械搅拌0. 5 6h，然后冷却至室温，丝素蛋白中的非晶态部分在此条件下可逐步降解，使得丝素粉体中的结晶区以纳米颗粒的形式存在，同时，酸性条件有利于丝素蛋白中的无规线团/α-螺旋结构转变成 β _折叠的结晶结构，使其在纳米化过程中进一步结晶化。d将浓度彡20衬％的NaOH溶液加入到经c步骤酸解后的丝素粉体悬浊液中进行中和，其中NaOH和H2SO4的摩尔比为2 1，用pH试纸检测其pH值直至中和反应完全，将中和反应后的悬浊液在水中透析3 7天，使酸解后产生的丝素蛋白分子及盐离子透析完全，经离心机在4000转的转速下离心30min，使得非水溶性丝素纳米微晶从水中离心析出， 再将析出的非水溶性丝素纳米微晶经冷冻干燥机在-50°C下冷冻干燥36h得非水溶性丝素纳米微晶粉体，也可透析后直接冷冻干燥或采用其它干燥办法得非水溶性丝素纳米微晶粉体。将酸解得到的非水溶性丝素纳米微晶粉体与水性聚氨酯按重量比10 90的比例共混，剧烈搅拌30分钟后，将共混液在室温下静置10分钟，随后抽真空脱泡，将上述共混液倒入玻璃模具中，在室温下放置2 3天后真空干燥，得到透明的共混膜材料。实施例1在室温下，将2g平均粒径彡3 μ m的丝素粉体和30g浓度为70wt%的H2SO4溶液混配成丝素粉体悬浊液，升温至40°C，经机械搅拌4h后冷却至室温，用20wt %的NaOH溶液中和，用流水透析5天，去离子水透析2天，然后用离心机在4000转的转速下离心30min，最后，经冷冻干燥机在-50°C下冷冻干燥36h得非水溶性丝素纳米微晶粉体。将此酸解条件下得到的非水溶性丝素纳米微晶粉体与水性聚氨酯按重量10 90的比例共混，剧烈搅拌30 分钟后，将共混液在室温下静置10分钟，随后抽真空脱泡，将上述共混液倒入玻璃模具中， 在室温下放置2 3天后真空干燥，得到透明的共混膜材料。实施例2在室温下，将2g平均粒径彡3 μ m的丝素粉体和120g浓度为50wt %的H2SO4溶液混配成丝素粉体悬浊液，升温至60°C，经机械搅拌6h后冷却至室温，用20wt %的NaOH溶液中和，用流水透析5天，去离子水透析2天，然后用离心机在4000转的转速下离心30min，最后，经冷冻干燥机在-50°C下冷冻干燥36h得非水溶性丝素纳米微晶粉体。将此酸解条件下得到的非水溶性丝素纳米微晶粉体与水性聚氨酯按重量比10 90的比例共混，剧烈搅拌30分钟后，将共混液在室温下静置10分钟，随后抽真空脱泡，将上述共混液倒入玻璃模具中，在室温下放置2 3天后真空干燥，得到透明的共混膜材料。实施例3在室温下，将2g平均粒径彡3 μ m的丝素粉体和75g浓度为60wt %的H2SO4溶液混配成丝素粉体悬浊液，升温至45°C，经机械搅拌2h后冷却至室温，用20wt %的NaOH溶液中和，用流水透析5天，去离子水透析2天，然后用离心机在4000转的转速下离心30min，最后，经冷冻干燥机在-50°C下冷冻干燥36h得非水溶性丝素纳米微晶粉体。将此酸解条件下得到的非水溶性丝素纳米微晶粉体与水性聚氨酯按重量比10 90的比例共混，剧烈搅拌30分钟后，将共混液在室温下静置10分钟，随后抽真空脱泡，将上述共混液倒入玻璃模具中，在室温下放置2 3天后真空干燥，得到透明的共混膜材料。(此实施例为最佳实施例)实施例4在室温下，将2g平均粒径彡3 μ m的丝素粉体和200g浓度为40wt %的H2SO4溶液混配成丝素粉体悬浊液，升温至70°C，经机械搅拌Ih后冷却至室温，用20Wt%&Na0H溶液中和，用流水透析5天，去离子水透析2天，然后用离心机在4000转的转速下离心30min，最后，经冷冻干燥机在-50°C下冷冻干燥36h得非水溶性丝素纳米微晶粉体。将此酸解条件下得到的非水溶性丝素纳米微晶粉体与水性聚氨酯按重量比10 90的比例共混，剧烈搅拌30分钟后，将共混液在室温下静置10分钟，随后抽真空脱泡，将上述共混液倒入玻璃模具中，在室温下放置2 3天后真空干燥，得到透明的共混膜材料。实施例5在室温下，将2g平均粒径彡3 μ m的丝素粉体和50g浓度为85wt %的H2SO4溶液混配成丝素粉体悬浊液，升温至80°C，经机械搅拌0. 5h后冷却至室温，用20wt %的NaOH溶液中和，用流水透析5天，去离子水透析2天，然后用离心机在4000转的转速下离心30min， 最后，经冷冻干燥机在-50°C下冷冻干燥36h得非水溶性丝素纳米微晶粉体。将此酸解条件下得到的非水溶性丝素纳米微晶粉体与水性聚氨酯按重量比10 90的比例共混，剧烈搅拌30分钟后，将共混液在室温下静置10分钟，随后抽真空脱泡，将上述共混液倒入玻璃模具中，在室温下放置2 3天后真空干燥，得到透明的共混膜材料。
实施例1 5的实验所得非水溶性丝素纳米微晶粉体的特性见表-表一
实施例分子量粒径结晶度(xlO5)(nm)(%)1 211.5113.978.73.6548.184.1334.6145.082.747.2665.766.8516.4176.353.9实施例1 5的实验所得非水溶性丝素纳米微晶粉体与聚氨酯共混后制备出的膜材料的性能见表二表二
实施例
杨氏模量(MPa) 拉伸强度(MPa) 断裂伸张率(％)
1 21.8±0.11.6±0.1879±10.41.7±0.11.8+0.11781±21.734.0+0.22.2±0.12369±19.843.7±0.12.3 土 0.12073+15.652.4+0.12.7+0.21370±11.权利要求
1. 一种制备非水溶性丝素纳米微晶粉体的方法，其特征在于所述的制备方法包括以下步骤a将蚕丝在0. 5wt% WNa2CO3水溶液中煮沸40min，用去离子水清洗甩干后得到丝素蛋白纤维，真空干燥，干燥温度为50°C，干燥时间为12h，将干燥后的丝素蛋白纤维磨制成平均粒径< 3 μ m的非水溶性丝素粉体；b将经a步骤得到的平均粒径< 3 μ m的丝素粉体在室温下按照丝素粉体和H2SO4重量比1 10 40混配成丝素粉体悬浊液，其中H2SO4溶液的浓度为40 85wt% ；c将经b步骤得到的悬浊液，升温至40 80°C，经机械搅拌0. 5 6h，然后冷却至室d将浓度< 20衬％的NaOH溶液加入到经c步骤酸解后的丝素粉体悬浊液中进行中和， 其中NaOH和H2SO4的摩尔比为2 1，将中和反应后的悬浊液在水中透析3 7天，经离心机离心30min，再经冷冻干燥机在-50°C下冷冻干燥36h得非水溶性丝素纳米微晶粉体。
全文摘要
本发明公开了一种制备非水溶性丝素纳米微晶粉体的方法。制备方法采用将平均粒径≤3μm的非水溶性丝素粉体分散在浓度为40～85％wt的硫酸水溶液中，在40～80℃温度下机械搅拌0.5～6h后，用浓度为≤20wt％的NaOH溶液中和，透析，离心，然后冷冻干燥得非水溶性丝素纳米微晶粉体。该方法操作简便，所用原材料来源丰富，价格低廉，而且所制得的非水溶性丝素纳米微晶粉体结晶度高，具有很好的增强增韧效果且兼有生物相容性和生物降解性。该非水溶性丝素纳米微晶粉体可用于制备生物医用纳米复合材料，而且在日用保洁护肤及化妆品等领域也具有广阔的应用前景。
文档编号C07K1/12GK102219844SQ20111008238
公开日2011年10月19日 申请日期2011年4月2日 优先权日2011年4月2日
发明者崔卫钢, 徐卫林, 柏自奎, 鄢芸, 陶咏真 申请人:武汉纺织大学