一种海藻酸钠纳米纤维基水凝胶的制备方法与流程

本发明涉及一种海藻酸钠水凝胶的制备方法，尤其涉及一种海藻酸钠纳米纤维基水凝胶的制备方法，属于天然高分子材料技术领域。

背景技术：

海藻酸钠是从褐藻的细胞壁中提取出来的一种天然多糖，它是由α-l-甘露糖醛酸(m单元)与β-d-古罗糖醛酸(g单元)通过1，4-糖苷键连接而成的线性天然高分子，分子量在几千到几十万之间不等。

由于海藻酸钠具有优良的生物相容性、凝胶性和天然的阻燃性，而被广泛应用于食品、医药、纺织等领域。

水凝胶具有疏水性三维网络结构，可以保持大量水分或生物体液成分，对氧气、营养物质、代谢废物、药物分子及信号因子等有较强的通透性，其中可注射水凝胶作为一种可降低某些外科手术风险和减轻患者不适感的生物医用材料，已经得到较为广泛的研究。

应用于生物医学的可注射水凝胶需要满足几个关键要求：

(1)可注射水凝胶本身应具有良好的生物相容性；

(2)该可注射水凝胶的前驱体溶液需要具有在靶标位点快速成型固化的能力；

(3)前驱体溶液在靶标位点成胶凝固后，还需其迅速达到一定的机械强度，以免周围组织挤压或形变而对水凝胶造成损伤。

然而，传统的可注射水凝胶却很难同时满足以上三个要求。

现有技术中，海藻酸钠水凝胶的制备方法主要有物理交联和化学交联两种。其中，海藻酸钠物理交联的水凝胶主要是通过二价金属离子与海藻酸钠上的羧基发生螯和作用，形成蛋核结构而得到的。

但是，由这种二价离子物理交联方法所制得的海藻酸钠水凝胶存在的问题或不足是：凝胶的无法再挤出或二次加工，挤出性能指标较差。其综合物理性能指标无法与当今快速发展的3d打印技术结合，快速进行生物材料产品成型/制造，也无法挤出粘附在伤口进行止血。

化学交联方法制备出的海藻酸钠水凝胶，是海藻酸钠的糖醛酸单元含有羟基和羧基与小分子交联剂或其他聚合物的活性官能团发生反应，连接而成的三维网络结构，以此来制备化学交联的海藻酸钠水凝胶。化学交联方法所制得的海藻酸钠水凝胶存在的主要问题或不足是：凝胶的挤出性能不佳；并且，其制备工艺条件相对较复杂，且一般需引入有害的物质对生物体产生副作用，后期还需要将未发生反应的交联剂分离、除去，因此，其后处理工艺比较繁琐。

更为重要的是，这种水凝胶也无法满足3d打印成型和止血的基本要求。

现阶段，用于止血的生物材料普遍存在两方面的缺点或不足，其一是，组分复杂或制备原料种类繁多，至少为两组分或多组分材料复配而成；其二是，使用相对麻烦，使用时，还需要临时外加其他溶剂或进行相应的使用前处理：

如中国专利申请cn103930133a公开了一种原位可交联的聚合物组合物及其方法，其止血凝胶成分为一种或数种由阳离子与一种或数种阴离子的混合物，使用时还需要外加溶剂。

中国申请cn105287997a公开了一种手术用止血凝胶及其制法，其手术用止血凝胶制备原料种类繁多，制备工艺繁琐复杂。

中国申请cn103505758a公开了一种壳聚糖纳米纤维止血材料，其采用等重量份数的壳聚糖和聚乙烯醇，溶于酸溶液，再经静电纺丝工艺制得；使用时，通过压迫在创口出血部位进行止血。这种壳聚糖纳米纤维止血材料制备工艺复杂，可能存在酸及其引入的其他残留成分。并且，其止血操作相对较麻烦。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种海藻酸钠纳米纤维基水凝胶的制备方法，该水凝胶制备方法工艺简单、环保、成本低，所制备的水凝胶具有良好的生物相容性和优异的止血性能，可在临床上用于创面的止血，且具有较高的强度、良好的挤出性和触变性，有望进行大规模的商业化生产。

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基水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，配制出质量百分比浓度为0.1％～10％的海藻酸钠纳米纤维溶液；

第二步，边搅拌，边向上述纳米纤维溶液中加入电解质或无水乙醇，直至混合溶液中的电解质的浓度达到50mm～500mm或乙醇的浓度达到5～40wt％；

第三步，经过静止相分离或离心分离，即得；

所述电解质为可溶性的钠盐或钾盐。

上述技术方案直接带来的技术效果是，工艺简单、工艺参数易于控制、环保节能且工艺流程短、制备周期短、效率高。

上述技术方案的制备方法，所制备的水凝胶具有良好的生物相容性和优异的止血性能，可在临床上用于创面的止血，且具有较高的强度、良好的挤出性和触变性。并且，通过调节海藻酸钠纳米纤维溶液与电解质或乙醇的相对浓度比例关系，即可获得不同性能指标的具有纳米纤维结构(固相成分)的水凝胶，操作十分简便且产品质量可控性与稳定性良好。需要特别指明的是，之所以说，上述技术方案所制得的海藻酸钠纳米纤维基水凝胶具有良好的可挤出性，是因为，所制备出的海藻酸钠纳米纤维基水凝胶是通过海藻酸钠纳米纤维间的物理作用得到的，其作用力主要是海藻酸钠纳米纤维间的氢键作用；而这种氢键的作用力恰好适中，既可以提供一定的强度，又可以通过剪切力的破坏而被挤出，而且这种氢键再被挤出破坏后去掉剪切力又可以回复。

为更好地理解本发明，下面简要阐明本发明的技术原理。

上述技术方案的反应机理是：通过外加电解质或通过加入无水乙醇夺取水分，以使海藻酸钠纳米纤维聚集、缠结直至形成三维凝胶网络。

这是因为，在海藻酸钠纳米纤维溶液体系中，纳米纤维之间会由于静电排斥作用而充分的舒展，相互之间保持较远的距离，而长期稳定存在；

而，在上述溶液体系中，外加适量浓度的电解质或乙醇后(即，当电解质的浓度达到或超过“临界值”后)，夺取海藻酸钠纳米纤维溶液体系中的水分，使得原来相互排斥的海藻酸钠纳米纤维相互靠拢、聚集，直至凝胶化，形成凝胶网络。

即，上述技术方案所制得的海藻酸钠纳米纤维基水凝胶，其强度高、挤出性能好，且具有优良的触变性能。

由于所制得水凝胶中，海藻酸钠纳米纤维之间是通过物理作用形成的三维网络结构，所以，在剪切力作用下，网络结构被“临时破坏”，因而可挤出。

而当去除掉外力后，水凝胶中的纤维网络结构将“自动地”重新构建成三维网络结构。因而，这种水凝胶可以把血红细胞包覆在三维网络结构中，且海藻酸钠上的羧基和羟基与血红细胞有结合作用，不需要额外添加其他成分的止血药物，即可单独用于止血。

并且，由于制备过程中无任何有毒有害成分的加入、加上海藻酸钠特有的优良的生物相容性与安全性，使得其成为一种安全有效的止血药，具有良好的市场推广应用前景。

同时，正是因为所制得水凝胶具有良好的剪切-恢复能力(经检测，所制得的水凝胶储能模量高，达到2000pa～60000pa，触变性好，可耐受5000％以上的应变，耐受50次剪切后，储能模量的回复率可保持在90％以上)，且挤出性能好。

因而，适于生物材料产品的3d打印快速成型。

补充说明：上述技术方案的技术关键点在于严格、合理地控制海藻酸钠纳米纤维溶液体系中的电解质浓度。

优选为，上述可溶性的钠盐为氯化钠。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，氯化钠溶液可作为体内注射使用的生理盐水，具有良好的使用安全性。

进一步优选，上述的海藻酸钠纳米纤维基水凝胶的制备方法，所制得的水凝胶中，海藻酸钠纳米纤维的质量分数为1％～25％；

水凝胶的储能模量为2000pa～60000pa，并且具有良好的触变性，耐受50次剪切后，储能模量的回复率可保持在90％以上。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，所制得的海藻酸钠纳米纤维基水凝胶质量好、综合性能指标优良，可以充分满足快速止血的要求。

进一步优选，上述海藻酸钠纳米纤维是以海藻酸钠为原料，采用自组装的方法制得的。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，采用自组装的方法制取海藻酸钠纳米纤维，工艺绿色环保，无任何有毒有害有副作用的外加化学成分的引入，具有更好的使用安全性；并且，制备方法更简单、成本更低。

进一步优选，上述的海藻酸钠纳米纤维基水凝胶的制备方法，所制得的海藻酸钠纳米纤维基水凝胶为可注射的生物降解水凝胶，并且可用于创口止血；适于生物产品的3d打印快速成型。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，所制得的海藻酸钠纳米纤维基水凝胶具有十分良好的市场应用前景。

综上所述，本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、制备方法简单、工艺环保、成本低廉、易于实现，有望用于商业大规模化生产。

2、所制得的水凝胶具有止血性能，可在临床上用于创面的止血，且具有极强的触变性，在进行多次连续注射后仍可以长时间保持凝胶状态。

3、所制得的海藻酸钠水凝胶力学强度可控：仅需通过改变浓缩条件，即可制得一系列不同力学强度的水凝胶，进而满足医疗领域的不同使用要求；并且适于生物材料产品的3d打印快速成型。

附图说明

图1为实施例1所制得的海藻酸钠纳米纤维半透明水凝胶的扫描电子显微镜照片；

图2为实施例1所制得的海藻酸钠纳米纤维半透明水凝胶的触变性的流变学表征(剪切-回复)；

图3为实施例1所制得的海藻酸钠纳米纤维半透明水凝胶的剪切-恢复状态结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明进行详细说明。

1、以下各实施例中，所用海藻酸钠纳米纤维的基础原料：海藻酸钠，均为经过美国食品药品监督管理局认证的海藻酸钠市售产品；

2、以下各实施例中所用的检测仪器为：扫描电子显微镜(sem)(纳米结构的表征)和安东帕mcr-301流变仪(凝胶的强度和触变性)；

3、所用原料海藻酸钠纳米纤维，是采用经过美国食品药品监督管理局认证的海藻酸钠市售产品作基础原料，采用由海藻酸钠自组装的方法制得的。

实施例1

制备方法如下：

第一步，使用去离子水，配制出质量百分比浓度为0.1％的海藻酸钠纳米纤维溶液；

第二步，边搅拌，边向上述纳米纤维溶液中加入nacl，直至混合溶液中的nacl(电解质)成分的浓度达到500mm为止；

然后，经过相分离，即得纤维性海藻酸钠水凝胶。

经检测，所制得的纤维性海藻酸钠水凝胶中，海藻酸钠纳米纤维的含量为1％；

海藻酸钠纳米纤维半透明水凝胶的储能模量为2000pa，并且具有良好的触变性，发现其可耐受5000％的应变，耐受50次剪切后，储能模量的回复率可保持在90％。

实施例2

制备方法如下：

第一步，使用去离子水，配制出质量百分比浓度为2.5％的海藻酸钠纳米纤维溶液；

第二步，边搅拌，边向上述纳米纤维溶液中加入na2co3，直至混合溶液中的na2co3成分的浓度达到200mm为止；

然后，经过相分离，即得海藻酸钠纳米纤维半透明水凝胶。

经检测，所制得的海藻酸钠纳米纤维半透明水凝胶中，海藻酸钠纳米纤维的含量为4％；

海藻酸钠纳米纤维半透明水凝胶的储能模量为7000pa，并且具有良好的触变性，发现其可耐受5000％的应变，耐受50次剪切后，储能模量的回复率可保持在92％。

实施例3

制备方法如下：

第一步，使用去离子水，配制出质量百分比浓度为3.5％的海藻酸钠纳米纤维溶液；

第二步，边搅拌，边向上述纳米纤维溶液中加入na2so4，直至混合溶液中的na2so4成分的浓度达到100mm为止；

然后，经过相分离，即得海藻酸钠纳米纤维半透明水凝胶。

经检测，所制得的海藻酸钠纳米纤维半透明水凝胶中，海藻酸钠纳米纤维的含量为6％；

海藻酸钠纳米纤维半透明水凝胶的储能模量为18000pa，并且具有良好的触变性，可耐受5000％的应变，耐受50次剪切后，储能模量的回复率可保持在93％。

实施例4

制备方法如下：

第一步，使用去离子水，配制出质量百分比浓度为5％的海藻酸钠纳米纤维溶液；

第二步，边搅拌，边向上述纳米纤维溶液中加入kno3，直至混合溶液中的kno3成分的浓度达到50mm为止；

然后，经过相分离，即得海藻酸钠纳米纤维半透明水凝胶。

经检测，所制得的海藻酸钠纳米纤维半透明水凝胶中，海藻酸钠纳米纤维的含量为15％；

海藻酸钠纳米纤维半透明水凝胶的储能模量为35000pa，并且具有良好的触变性，可耐受6000％的应变，耐受50次剪切后，储能模量的回复率可保持在95％。

实施例5

制备方法如下：

第一步，使用去离子水，配制出质量百分比浓度为10％的海藻酸钠纳米纤维溶液；

第二步，边搅拌，边向上述纳米纤维溶液中加入kbr，直至混合溶液中的电解质成分的浓度达到250mm为止；

然后，经过相分离，即得海藻酸钠纳米纤维半透明水凝胶。

经检测，所制得的海藻酸钠纳米纤维半透明水凝胶中，海藻酸钠纳米纤维的含量为25％；

海藻酸钠纳米纤维基水凝胶的储能模量为60000pa，并且具有良好的触变性，可耐受6000％的应变，耐受50次剪切后，储能模量的回复率可保持在97％。

实施例6

制备方法如下：

第一步，使用去离子水，配制出质量百分比浓度为5％的海藻酸钠纳米纤维溶液；

第二步，边搅拌，边向上述纳米纤维溶液中加入无水乙醇，直至混合溶液中的乙醇的浓度达到20wt％；

然后，经过静置，即得海藻酸钠纳米纤维半透明水凝胶；

经检测，所制得的海藻酸钠纳米纤维半透明水凝胶中，海藻酸钠纳米纤维的含量为4％；

海藻酸钠纳米纤维基水凝胶的储能模量为10000pa，并且具有良好的触变性，可耐受5000％的应变，耐受50次剪切后，储能模量的回复率可保持在90％。

实施例7

制备方法如下：

第一步，使用去离子水，配制出质量百分比浓度为3.5％的海藻酸钠纳米纤维溶液；

第二步，边搅拌，边向上述纳米纤维溶液中加入无水乙醇，直至混合溶液中的乙醇的浓度达到40wt％；

然后，经过静置，即得海藻酸钠纳米纤维半透明水凝胶；

经检测，所制得的海藻酸钠纳米纤维半透明水凝胶中，海藻酸钠纳米纤维的含量为2％；

海藻酸钠纳米纤维基水凝胶的储能模量为8000pa，并且具有良好的触变性，可耐受6500％的应变，耐受50次剪切后，储能模量的回复率可保持在95％。

实施例8

制备方法如下：

第一步，使用去离子水，配制出质量百分比浓度为12％的海藻酸钠纳米纤维溶液；

第二步，边搅拌，边向上述纳米纤维溶液中加入无水乙醇，直至混合溶液中的乙醇的浓度达到5wt％；

然后，经过静置，即得海藻酸钠纳米纤维半透明水凝胶；

经检测，所制得的海藻酸钠纳米纤维半透明水凝胶中，海藻酸钠纳米纤维的含量为10％；

海藻酸钠纳米纤维基水凝胶的储能模量为9000pa，并且具有良好的触变性，可耐受7000％的应变，耐受50次剪切后，储能模量的回复率可保持在96％。

动物性止血实验：

实验对象：2-2.5kg兔子(活体)。

实验方法：在无菌条件下，白兔麻醉后，用手术刀在兔子肝脏上形成一个长为1.5cm深为0.3cm的线型切口，有一定量血流出，将凝胶挤出涂在伤口上2分钟。记录止血时间，并观察止血材料和创面的结合情况。实验结果：兔子的伤口经2分钟后，已经完全止血。用纱布将伤口表面的止血凝胶轻轻擦去，伤口无再次渗血或出血现象。

为更进一步的了解本发明的技术特点，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

选取实施例1为代表性实施例，将水凝胶进行冷冻干燥，再用液氮脆断，得到良好且完整的断面；然后，将该断面在扫描电镜下进行测试，得到图1所示的扫描电镜的照片。

从图1中可以看到，凝胶内部为疏松的网络结构，网络尺寸在微米级别；并且，从图1中可以清楚地看到很多成线型的纳米纤维结构。

证明：所制得的水凝胶是以纳米纤维为基本单元形成的凝胶，并且水凝胶内部为疏松的结构。

选取实施例2为代表性实施例进行水凝胶用流变仪测试，得到图2所示的流变曲线。

从图2中可以得出，所制得的水凝胶具有良好的触变性，可耐受5000％的应变，耐受50次剪切后，储能模量的回复率可保持在92％。

为更进一步地理解本发明的海藻酸钠纳米纤维基水凝胶的技术特点，下面对照附图3，阐明其具有止血功能和良好挤出性能指标的原因。

图3中，图标“线条状”表示海藻酸钠纳米纤维，图标“-”表示海藻酸钠电离后产生的醋酸根离子；最右侧的那幅图中，图标“椭圆形”表示凝血部位。

如图3所示，所制得水凝胶中，海藻酸钠纳米纤维之间是通过物理作用形成的三维网络结构，所以，在剪切力作用下，网络结构被“临时破坏”，因而可挤出。

而当去除掉外力后，水凝胶中的纤维网络结构将“自动地”重新构建成三维网络结构。因而，这种水凝胶可以把血红细胞包覆在三维网络结构中，不需要额外添加其他成分的止血药物，即可单独用于止血。