一种纤维素纳米晶增强PHBV纳米纤维的制备方法

摘要

本发明涉及一种纤维素纳米晶增强PHBV纳米纤维的制备方法，包括：(1)将纤维素纳米晶CNCs的有机溶剂A溶液在搅拌条件下加入聚羟基丁酸戊酸酯PHBV的有机溶剂B溶液中，得混合液；(2)将上述混合液升温至40-70℃，充分搅拌，得到透明均一的静电纺原液；(3)将上述原液进行静电纺丝，并在室温下真空干燥，得PHBV/CNCs纳米纤维或纤维膜。本发明制备过程简单、可控、快捷、高效，所得的纳米纤维或纤维膜为全生物降解产品，生物可降解与生物相容性好，产品孔隙率高且孔径可调，形状可任意裁剪，并具有较高的力学性能、热学性能和适宜的亲水性能等优点。

说明书

技术领域

本发明属于PHBV纳米纤维的制备领域，特别涉及一种纤维素纳米晶增强PHBV纳米纤 维的制备方法。

背景技术

静电纺丝法生产的纳米纤维独特的结构特性，如高比表面积、低纤网克重和高孔隙率等， 使其在医疗卫生产品等领域拥有巨大的市场潜力。如在做细胞工程支架材料时，纳米纤维的 作用是提供传导性能和结构支撑，并改进支架的多孔性；在药品封装中使用，可控制活性组 分的传输。纳米纤维材料还是烧伤病人理想的包扎绷带。纳米纤维可用于人造血管、药物输 送材料等中，还广泛应用于揩布、纸巾等个人护理产品中。特别是生物可降解聚合物的融入， 使聚合物纳米纤维最先成为医用领域的选择，其在组织支架、软组织修补、矫形植入、创伤 处理以及药液控释等方面的开发与应用倍受关注。将生物可降解聚合物纳米纤维用做组织工 程材料，可以提供一系列优良特性如机械性能、生物相容性、促进细胞生长和细胞基质交换 的性能等，其研究开发已延伸到了骨、肌腱、韧带、皮肤、血管、神经等组织的再生。

聚羟基丁酸戊酸酯(PHBV)是以淀粉为原料，运用发酵工程技术生产出的生物材料。作 为一种生物聚酯，它由细菌生产，在土壤或堆肥条件下能被细菌消化，并完全分解为二氧化 碳、水和生物质，只需70天就可以100％降解。PHBV在诸如医用材料、薄膜材料、一次性用 品、包装材料等方面有着广阔的应用前景。静电纺丝技术所得的PHBV纳米纤维 (CN1313348A；CN1800474A；CN101927033A)，具有类似组织细胞间质的纳米结构，良 好的生物相容性、生物可吸收性与生物可降解，使其在组织支架材料占有一席之地。然而， 静电纺成形，牵伸速率低，高分子取向不完善，断裂强力、杨氏模量偏低。对于骨或韧带组 织支架应用时，材料要求：足够的强度支撑组织，耐热性好、抗热变形温度高能够保持自身 结构稳定性。但是由于纯PHBV纳米纤维力学性能差、抗热变形温度较低、疏水性强等，限 制其在上述组织支架材料的应用。

以PHBV为基体，以淀粉等各类无机物纤维素纤维为增强体或填充物，可以制得性能各 异的生物可降解的复合材料，以满足不同场合的使用要求。为了改善PHBV作为支架材料的 缺陷，研究者将一些无机矿化物离子(可溶性磷酸盐玻璃、羟基磷灰石、磷酸三钙)、有机 化合物(胶原)与PHBV复合制成复合型的纳米纤维(Vince Beachley，Xuejun Wen.Polymer  nanofibrous structures：Fabrication，biofunctionalization，and cell interactions.Progress in polymer  science 2010；35：868-892)。研究发现可溶性磷酸盐玻璃虽提高力学性能，但引起较强的组织 反应、软组织增生及新骨生长受抑制；羟基磷灰石带有大量亲水性的羟基有利于PHBV与之 结合及新骨组织长入，但存在降解难的问题。最近，研究者用等离子方法将生物可降解的胶 原有机化合物涂覆在PHBV纳米纤维膜表面上，大大地改善纳米纤维表面的亲水性能，细胞 可以很好地在纤维膜表面黏附、生长、分化、增殖，不足的是胶原的加入，并不能很好改善 PHBV纳米纤维的其他性能，如力学性能、热学性能等。(Jafar Ai，Saeed Heidari K，Fatemeh  Ghorbani，Fahimeh Ejazi，Esmaeil Biazar，Azadeh Asefnejad，Khalil Pourshamsian，and Mohamad  Montazeri.Fabrication of coated-collagen electrospun PHBV nanofiber film by plasma method and  its cellular study.Journal of Nanomaterials 2011；8：1-8)。综上，要想将PHBV纳米纤维用于骨 或韧带支架材料应用时，对PHBV纳米纤维改性的添加物除了保证本身具有良好的生物可降 解性、与人体组织细胞的生物相容性好之外，能够大幅度提高纯纳米纤维的力学性能和改善 其疏水性也是所期盼的。

纤维素纳米晶由于其生物可降解性、生物相容性好、带丰富亲水性的羟基、高强度(杨 氏模量高达150GPa)、尺寸小等优异特性，其在生物医用、食品、化妆品领域有广泛的应用 (CN101481424A)。最近，研究进一步表明纤维素纳米晶的植入不但对人体组织无害，而且 人体组织细胞可以在纤维素纳米晶表面很好地黏附和生长(Khaled A.Mahmoud，Jimmy A. Mena，Keith B.Male，Sabahudin Hrapovic，Amine Kamen，and John H.T.Luong.Effect of surface  charge on the cellular uptake and cytotoxicity of fluorescent labeled cellulose nanocrystals.ACS  Appl Mater Interfaces 2010；2：2924-2932)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种纤维素纳米晶增强PHBV纳米纤维的制备方法， 该方法过程步骤少，制备简单快捷，易于控制，可操作性强，可用于工业化批量生产。

本发明的一种纤维素纳米晶增强PHBV纳米纤维的制备方法，包括：

(1)将纤维素纳米晶CNCs的有机溶剂A溶液在搅拌条件下加入聚羟基丁酸戊酸酯PHBV的有 机溶剂B溶液中，得混合液；其中，PHBV与CNCs在混合液中的总质量分数为7-25wt％，PHBV 与CNCs的质量比为4-99∶1，有机溶剂A与B的质量比为1∶7-9；

(2)将上述混合液升温至40-70℃，充分搅拌，得到透明均一的静电纺原液；

(3)将上述原液进行静电纺丝，并在室温下真空干燥，得PHBV/CNCs纳米纤维或纤维膜。

所述步骤(1)中的纤维素纳米晶CNCs呈棒状或椭圆状，直径为10-200nm，长径比为 10-200。

所述步骤(1)中的有机溶剂A为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、四氢呋喃或 乙醇。

所述步骤(1)中的聚羟基丁酸戊酸酯PHBV的数均分子量为2.0×10⁴-8.0×10⁵，分子量 分布为1.2-5.0，聚羟基丁酸戊酸酯中HV含量为1.0-35.0mol％。

所述步骤(1)中的有机溶剂B为二氯甲烷、1，2-氯乙烷、氯仿或二乙二醇二甲醚。

所述步骤(3)中的静电纺丝工艺为：针管内径为0.7mm，电压为10-18kV，接受距离 为10-20cm，流动速率为1.0-5.0mL/h，采用旋转滚筒收集高度取向的纳米纤维或纤维膜， 采用平板电极收集微孔结构的纳米纤维或纤维膜。

所述步骤(3)中的真空干燥时间为12-24h。

所述步骤(3)中得到的PHBV/CNCs纳米纤维的直径为30nm-2000nm；其直径随纳米 晶含量的增加而减少，其孔径结构可通过纺丝液的浓度、溶剂体系和纺丝工艺进行调节。

有益效果

(1)本发明可在常规静电纺丝装置上实施，不需要特别昂贵的设备，可制备出高度取向或孔 隙率可调的纳米纤维或纤维膜；原料均为生物可降解材料，所需要的化学药品种类少且成本 低廉。制备过程步骤少，制备简单快捷，易于控制，可操作性强，可用于工业化批量生产；

(2)本发明制备的PHBV/CNC纳米纤维或纤维膜为全生物降解产品，生物可降解与生物相 容性好，产品孔隙率高且孔径可调，形状可任意裁剪，而且表现出较好的力学性能、较高的 热降解温度与适宜的亲水性能等优点。其中抗拉强度最大可达5.4Mpa，初始热降解温度增大 了278.5℃，接触角最低可达降低了86°，并且其力学性能、热学性能与亲水性能都可以通过 纤维素纳米晶的含量进行调控；纳米纤维孔径结构可通过纺丝液的浓度、溶剂体系和纺丝工 艺进行调节。特别是这种高性能的PHBV/CNC纳米纤维或纤维膜在骨、韧带等组织工程支架 材料、新型纳米药物载体、膜材料、过滤介质、生物制品、纳米增强材料等等领域展示出了 良好的应用前景。

附图说明

图1PHBV/CNC纳米纤维或纤维膜的扫描电镜图(SEM)；

图2PHBV/CNC纳米纤维或纤维膜的抗拉强度与CNC含量的函数关系图；

图3PHBV/CNC纳米纤维或纤维膜的初始热降解温度与CNC含量的函数关系图；

图4PHBV/CNC纳米纤维或纤维膜的接触角与CNC含量的函数关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不 用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可 以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

将分散在N，N-二甲基甲酰中的纤维素纳米晶分散液在搅拌条件下缓慢加入到聚羟基丁 酸戊酸酯(数均分子量和分子量分布分别为4.5×10⁴和4.8)的氯仿溶液中，其中PHBV与CNCs 在混合液中的总质量分数为9wt％，PHBV与CNCs的质量比为99∶1，N，N-二甲基甲酰胺与 氯仿的质量比为1∶7.6；随后将混合液升温到70℃，充分搅拌、溶胀，得到透明均一的静电纺 原液；再将上述配制的纺丝液，在针管内径为0.7mm、流动速率为1.8mL/h、电压为12kV 和接收距离为15cm的纺丝条件下进行静电纺丝，采用平板电极收集，将上述产物室温下真 空干燥24h，得到PHBV/CNCs纳米纤维或纤维膜；纳米纤维经扫描电镜(SEM)观察获得 其纤维直径为400nm(见图1)；纳米纤维经微控电子万能试验机测得其抗拉强度为4.8Mpa (见图2)，材料再经热失重分析仪(TGA)测试后获得其初始热降解温度高达268.2℃(见 图3)，接触角测试后得其接触角为134°(见图4)。

实施例2

将分散在N，N-二甲基乙酰胺中的纤维素纳米晶分散液在搅拌条件下缓慢加入到聚羟基 丁酸戊酸酯(数均分子量和分子量分布分别为1.0×10⁵和2.9)的二乙二醇二甲醚溶液中，其 中PHBV与CNCs在混合液中的总质量分数为16wt％，PHBV与CNCs的质量比为5∶1，N，N- 二甲基乙酰胺与二乙二醇二甲醚的质量比为1∶9；随后将混合液升温到60℃，充分搅拌、溶 胀，得到透明均一的静电纺原液；再将上述配制的纺丝液，在针管内径为0.7mm、流动速率 为1.5mL/h、电压为15kV和接收距离为18cm的纺丝条件下进行静电纺丝，采用旋转滚筒 收集，将上述产物室温下真空干燥20h，得到PHBV/CNCs纳米纤维或纤维膜；纳米纤维经 扫描电镜观察获得其纤维直径为128nm；材料经微控电子万能试验机测得其抗拉强度为5.1 MPa，材料再经热失重分析仪测试后获得其初始热降解温度高达272.1℃，接触角测试后得其 接触角为115°。

实施例3

将分散在四氢呋喃中的纤维素纳米晶分散液在搅拌条件下缓慢加入到聚羟基丁酸戊酸酯 (数均分子量和分子量分布分别为2.5×10⁵和2.4)的1，2-氯乙烷溶液中，其中PHBV与CNCs 在混合液中的总质量分数为7wt％，PHBV与CNCs的质量比为49∶1，四氢呋喃与1，2-氯乙烷 的质量比为1∶7.5；随后将混合液升温到58℃，充分搅拌、溶胀，得到透明均一的静电纺原液； 再将上述配制的纺丝液，在针管内径为0.7mm、流动速率为1.0mL/h、电压为12kV和接收 距离为14cm的纺丝条件下进行静电纺丝，采用旋转滚筒收集，将上述产物室温下真空干燥 15h，得到PHBV/CNCs纳米纤维或纤维膜；纳米纤维经扫描电镜观察获得其纤维直径为875 nm；材料经微控电子万能试验机测得其抗拉强度为4.3Mpa，材料再经热失重分析仪测试后 获得其初始热降解温度高达258.8℃，接触角测试后得其接触角为125°。

实施例4

将分散在四氢呋喃中的纤维素纳米晶分散液在搅拌条件下缓慢加入到聚羟基丁酸戊酸酯 (数均分子量和分子量分布分别为6.0×10⁵和3.5)的二氯甲烷溶液中，其中PHBV与CNCs 在混合液中的总质量分数为12wt％，PHBV与CNCs的质量比为18∶1，四氢呋喃与二氯甲烷 的质量比为1∶8；随后将混合液升温到45℃，充分搅拌、溶胀，得到透明均一的静电纺原液； 再将上述配制的纺丝液，在针管内径为0.7mm、流动速率为4.0mL/h、电压为16kV和接收 距离为16cm的纺丝条件下进行静电纺丝，采用旋转滚筒收集，将上述产物室温下真空干燥 12h，得到PHBV/CNCs纳米纤维或纤维膜；纳米纤维经扫描电镜观察获得其纤维直径为320 nm；材料经微控电子万能试验机测得其抗拉强度为4.9Mpa，材料再经热失重分析仪测试后 获得其初始热降解温度高达274.9℃，接触角测试后得其接触角为120°。

实施例5

将分散在N，N-二甲基乙酰胺中的纤维素纳米晶分散液在搅拌条件下缓慢加入到聚羟基 丁酸戊酸酯(数均分子量和分子量分布分别为7.0×10⁵和5.0)的二氯甲烷溶液中，其中PHBV 与CNCs在混合液中的总质量分数为20wt％，PHBV与CNCs的质量比为70∶1，N，N-二甲基 乙酰胺与二氯甲烷的质量比为1∶8.5；随后将混合液升温到62℃，充分搅拌、溶胀，得到透明 均一的静电纺原液；再将上述配制的纺丝液，在针管内径为0.7mm、流动速率为1.8mL/h、 电压为15kV和接收距离为17cm的纺丝条件下进行静电纺丝，采用旋转滚筒收集，将上述 产物室温下真空干燥24h，得到PHBV/CNCs纳米纤维或纤维膜；纳米纤维经扫描电镜观察 获得其纤维直径为52nm；材料经微控电子万能试验机测得其抗拉强度为5.0Mpa，材料再经 热失重分析仪测试后获得其初始热降解温度高达260.5℃，接触角测试后得其接触角为129°。

实施例6

将分散在N，N-二甲基甲酰胺中的纤维素纳米晶分散液在搅拌条件下缓慢加入到聚羟基 丁酸戊酸酯(数均分子量和分子量分布分别为8.0×10⁵和3.0)的氯仿溶液中，其中PHBV与 CNCs在混合液中的总质量分数为10wt％，PHBV与CNCs的质量比为4∶1，N，N-二甲基甲酰 胺与氯仿的质量比为1∶7.1；随后将混合液升温到51℃，充分搅拌、溶胀，得到透明均一的静 电纺原液；再将上述配制的纺丝液，在针管内径为0.7mm、流动速率为1.2mL/h、电压为15 kV和接收距离为18cm的纺丝条件下进行静电纺丝，采用旋转滚筒收集，将上述产物室温下 真空干燥20h，得到PHBV/CNCs纳米纤维或纤维膜；纳米纤维经扫描电镜观察获得其纤维 直径为122nm；材料经微控电子万能试验机测得其抗拉强度为5.4Mpa，材料再经热失重分 析仪测试后获得其初始热降解温度高达275.3℃，接触角测试后得其接触角为86°。