一种使用小分子量海藻酸钠自组装成纳米纤维的方法

摘要

本发明公开了一种使用小分子量海藻酸钠自组装成纳米纤维的方法，其包括以下步骤：先将大分子量的海藻酸钠降解成小分子量的海藻酸钠；后将小分子量的海藻酸钠加去离子水溶解；最后，将海藻酸钠溶液静置，通过自组装，得到储存在溶液体系中的海藻酸钠纳米纤维。即，通过降解增溶、小分子量的海藻酸钠分子链聚集，从而发生自组装，经多级自组装后，得到分散均匀的，可以用来制备高强度、良好触变性的水凝胶的海藻酸钠纳米纤维。本发明通过简单调控海藻酸钠的分子量，无需添加任何交联剂或电解质盐类，即可自组装成纳米纤维。其制备方法简单、直接、高效。特别是，所制备出的海藻酸钠纳米纤维为“纯”海藻酸钠成分。

说明书

技术领域

本发明涉及一种海藻酸钠纳米纤维的制备方法，尤其涉及一种使用小分子量海藻酸钠自组装成纳米纤维的方法。

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。其中，以海藻酸钠为原料，制成的纳米纤维，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(性能指标、纤维形貌等)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，一般都在几百纳米之上。严格意义上讲，并不能称之为“纳米”纤维。

发明内容

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，且便于长期保存的使用小分子量海藻酸钠自组装成纳米纤维的方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种使用小分子量海藻酸钠自组装成纳米纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，小分子量的海藻酸钠的制备：

按比例，将大分子量的海藻酸钠加入到去离子水中，经搅拌溶胀、溶解，得到质量百分比浓度为1.5％的海藻酸钠溶液A；

然后，加入双氧水，得到混合溶液，混合溶液中双氧水的质量分数为1.5％～2％；

将混合溶液水浴加热到65℃，搅拌反应1h～15h；

再按混合溶液与无水乙醇的体积比为1︰2的比例，向混合溶液中加入无水乙醇，沉淀、离心，得到以小分子量海藻酸钠为主要成分的固形物；

将所得固形物加去离子水溶解，再依次经透析、冷冻干燥之后，得到较纯净的小分子量的海藻酸钠粉末；

第二步，海藻酸钠纳米纤维自组装步骤：

边搅拌边将所得小分子量的海藻酸钠粉末加去离子水溶解，得到质量百分比浓度为5％～60％的海藻酸钠溶液B；

第三步，将所得海藻酸钠溶液B静置2h～120h，自组装成海藻酸钠纳米纤维即可；

上述大分子量的海藻酸钠，是指重均分子量在313kDa～586kDa的海藻酸钠；

上述小分子量的海藻酸钠，是指重均分子量为23kDa～96kDa的海藻酸钠。

上述技术方案直接带来的技术效果是，巧妙地通过简单调控海藻酸钠的分子量，无需添加任何交联剂或电解质盐类，利用小分子量海藻酸钠自组装成纳米纤维。其制备方法简单、直接、高效。特别是，所制备出的海藻酸钠纳米纤维为“纯”海藻酸钠成分，原原本本地保留了海藻酸钠的诸如：可降解性、相容性等优良特性。

不难看出，上述技术方案的制备方法，其工艺流程短、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。

为更好地理解本发明的技术特点，下面从原理上进行详细解释与说明。

海藻酸钠易溶于水。但是，由于海藻酸钠高分子的高粘特性因素的制约，使得其溶解度较低。当其处于水溶液体系中，(海藻酸钠)浓度达到一定程度时，将会发生凝胶化。这就是海藻酸钠在水中溶解度有限的根本原因。

基于对上述客观规律的认识，我们在研究中发现，当海藻酸钠通过降解，其分子量大幅度降低至一定范围时，不仅海藻酸钠在水中的溶解度会显著增加；而且，海藻酸钠分子链变短后，其刚性大幅增强；当这种海藻酸钠在水溶液中的浓度达到一定临界值时，海藻酸钠分子链将会发生取向聚集，从而发生自组装，形成新的结构，即纳米纤维。

需要特别指出的是，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，这是一个熵减的过程。

在这一过程中，因为海藻酸钠的分子量的降低使得溶解度大大增加，大量的海藻酸钠聚集在一起，因此海藻酸钠的疏水作用增加，疏水作用提供了能量，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，以疏水作用的结合作用。

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。

优选为，上述的使用小分子量海藻酸钠自组装成纳米纤维的方法，其特征在于，所制得的海藻酸钠纳米纤维直径为50nm～800nm，长度为3000nm～20000nm。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，海藻酸钠纳米纤维直径为50nm～800nm，长度为3000nm～20000nm，适用于制备高强度、良好触变性的水凝胶，具有十分广阔的市场应用前景。

基于上述分析，不难理解，本发明的技术关键点包括：合理控制海藻酸钠的分子量、浓度和组装时间。

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，所用海藻酸钠原料(即，所述的“大分子量的海藻酸钠”)均为市售产品；H₂O₂和无水乙醇均为市售产品。

2、以下各实施例中，所述的“大分子量的海藻酸钠”和“小分子量的海藻酸钠”，分子量都是采用凝胶渗透色谱法(GPC)进行测定的。

3、以下各实施例中，海藻酸钠纳米纤维的形貌均为偏光显微镜下的观测结果；纤维直径和纤维长度均为透射电子显微镜下的观测结果。

实施例1

制备方法包括如图1所示的三个步骤：

第一步，小分子量的海藻酸钠的制备：

按比例，将大分子量的海藻酸钠(重均分子量为313kDa)加入到去离子水中，经搅拌溶胀、溶解，得到质量百分比浓度为1.5％的海藻酸钠溶液A；

然后，加入双氧水，得到混合溶液，混合溶液中双氧水的质量分数为1.5％；

将混合溶液水浴加热到65℃，搅拌反应12h；

再按混合溶液与无水乙醇的体积比为1︰2的比例，向混合溶液中加入无水乙醇，沉淀、离心，得到以小分子量海藻酸钠为主要成分的固形物；

将所得固形物加去离子水溶解，再依次经透析、冷冻干燥之后，得到较纯净的小分子量的海藻酸钠粉末(重均分子量为74kDa)；

第二步，海藻酸钠纳米纤维自组装步骤：

边搅拌边将所得小分子量的海藻酸钠粉末加去离子水溶解，得到质量百分比浓度为10％的海藻酸钠溶液B；

第三步，将所得海藻酸钠溶液B静置72h，自组装成海藻酸钠纳米纤维。

将所得产品分别置于偏光显微镜和透射电镜下观测，结果显示，海藻酸钠纳米纤维形貌为线型或支化型；纳米纤维直径为140～150nm，长度为3500～3700nm。

实施例2

制备方法包括如图1所示的三个步骤：

第一步，小分子量的海藻酸钠的制备：

按比例，将大分子量的海藻酸钠(重均分子量为586kDa)加入到去离子水中，经搅拌溶胀、溶解，得到质量百分比浓度为1.5％的海藻酸钠溶液A；

然后，加入双氧水，得到混合溶液，混合溶液中双氧水的质量分数为1.5％；

将混合溶液水浴加热到65℃，搅拌反应15h；

再按混合溶液与无水乙醇的体积比为1︰2的比例，向混合溶液中加入无水乙醇，沉淀、离心，得到以小分子量海藻酸钠为主要成分的固形物；

将所得固形物加去离子水溶解，再依次经透析、冷冻干燥之后，得到较纯净的小分子量的海藻酸钠粉末(重均分子量为95kDa)；

第二步，海藻酸钠纳米纤维自组装步骤：

边搅拌边将所得小分子量的海藻酸钠粉末加去离子水溶解，得到质量百分比浓度为10％的海藻酸钠溶液B；

第三步，将所得海藻酸钠溶液B静置120h，自组装成海藻酸钠纳米纤维。

将所得产品置于偏光显微镜下观测，结果显示，海藻酸钠纳米纤维形貌为线型或支化型；

将所得产品置于透射电镜下观测可以看出：纳米纤维直径为50～65nm，长度为3200～3500nm。

图2为所制得的海藻酸钠纳米纤维的透射电镜图。从图2中可以看到明显的纤维结构，这说明所得产物为纳米纤维。

实施例3

制备方法包括如图1所示的三个步骤：

第一步，小分子量的海藻酸钠的制备：

按比例，将大分子量的海藻酸钠(重均分子量为425kDa)加入到去离子水中，经搅拌溶胀、溶解，得到质量百分比浓度为1.5％的海藻酸钠溶液A；

然后，加入双氧水，得到混合溶液，混合溶液中双氧水的质量分数为1.5％；

将混合溶液水浴加热到65℃，搅拌反应5h；

再按混合溶液与无水乙醇的体积比为1︰2的比例，向混合溶液中加入无水乙醇，沉淀、离心，得到以小分子量海藻酸钠为主要成分的固形物；

将所得固形物加去离子水溶解，再依次经透析、冷冻干燥之后，得到较纯净的小分子量的海藻酸钠粉末(重均分子量为86kDa)；

第二步，海藻酸钠纳米纤维自组装步骤：

边搅拌边将所得小分子量的海藻酸钠粉末加去离子水溶解，得到质量百分比浓度为10％的海藻酸钠溶液B；

第三步，将所得海藻酸钠溶液B静置96h，自组装成海藻酸钠纳米纤维。

将所得产品分别置于偏光显微镜和透射电镜下观测，可以看出：海藻酸钠纳米纤维形貌为线型或支化型；纳米纤维直径为55～70nm，长度为4200～4500nm。

实施例4

制备方法包括如图1所示的三个步骤：

第一步，小分子量的海藻酸钠的制备：

按比例，将大分子量的海藻酸钠(重均分子量为505kDa)加入到去离子水中，经搅拌溶胀、溶解，得到质量百分比浓度为1.5％的海藻酸钠溶液A；

然后，加入双氧水，得到混合溶液，混合溶液中双氧水的质量分数为1.5％；

将混合溶液水浴加热到65℃，搅拌反应8h；

再按混合溶液与无水乙醇的体积比为1︰2的比例，向混合溶液中加入无水乙醇，沉淀、离心，得到以小分子量海藻酸钠为主要成分的固形物；

将所得固形物加去离子水溶解，再依次经透析、冷冻干燥之后，得到较纯净的小分子量的海藻酸钠粉末(重均分子量为91kDa)；

第二步，海藻酸钠纳米纤维自组装步骤：

边搅拌边将所得小分子量的海藻酸钠粉末加去离子水溶解，得到质量百分比浓度为10％的海藻酸钠溶液B；

第三步，将所得海藻酸钠溶液B静置72h，自组装成海藻酸钠纳米纤维。

将所得产品分别置于偏光显微镜和透射电镜下观测，可以看出：海藻酸钠纳米纤维形貌为线型或支化型；纳米纤维直径为165～180nm，长度为4000～4500nm。

实施例5

制备方法包括如图1所示的三个步骤：

第一步，小分子量的海藻酸钠的制备：

按比例，将大分子量的海藻酸钠(重均分子量为313kDa)加入到去离子水中，经搅拌溶胀、溶解，得到质量百分比浓度为2％的海藻酸钠溶液A；

然后，加入双氧水，得到混合溶液，混合溶液中双氧水的质量分数为1.5％；

将混合溶液水浴加热到65℃，搅拌反应4h；

再按混合溶液与无水乙醇的体积比为1︰2的比例，向混合溶液中加入无水乙醇，沉淀、离心，得到以小分子量海藻酸钠为主要成分的固形物；

将所得固形物加去离子水溶解，再依次经透析、冷冻干燥之后，得到较纯净的小分子量的海藻酸钠粉末(重均分子量为23kDa)；

第二步，海藻酸钠纳米纤维自组装步骤：

边搅拌边将所得小分子量的海藻酸钠粉末加去离子水溶解，得到质量百分比浓度为10％的海藻酸钠溶液B；

第三步，将所得海藻酸钠溶液B静置72h，自组装成海藻酸钠纳米纤维。

将所得产品分别置于偏光显微镜和透射电镜下观测，同样可以看出：海藻酸钠纳米纤维形貌为线型或支化型；纳米纤维直径为50～200nm，长度为3000～5500nm。