一種絲素納米纖維高效制備方法及其應用
【專利摘要】本發明針對超聲制備絲素納米纖維的缺點，提供一種改進的絲素納米纖維的高效制備方法，其特征主要包括以下實驗步驟：其特征在于使用凸陣或線陣探頭，超聲探頭和被超聲絲素纖維均浸入溶液中，功率大約在200W~1750W之間，頻率為5千赫茲～5兆赫茲，超聲持續時間為1～24小時，超聲間隔時間為超3～60s停1~10s,過程中控制被超聲溶液溫度在0℃～90℃之間；將被超聲絲素纖維固定在方形中空或者圓形中空的平面夾具上，控制超聲探頭到絲素纖維所在平面的垂直距離為0.1～5cm，以0～5cm/Min的速度水平移動被超聲絲素纖維所在的夾具，從而制備得到絲素納米纖維材料。本發明所制備絲素納米纖維具有良好的親水性、水蒸氣透過性能和藥物緩釋性能，本發明保護其在醫用敷料方面的應用。
【專利說明】
一種絲素納米纖維高效制備方法及其應用
技術領域
[0001]本發明涉及一種改進的絲素納米纖維的高效制備方法及其應用，屬于生物醫用材料技術領域。
【背景技術】
[0002]隨著對蠶絲結構性能的深入研究以及蠶絲新材料的開發，國內外對蠶絲的應用正從傳統的紡織領域向組織工程、藥物釋放，生物醫藥、化妝品、食品等領域拓展。絲素納米纖維是一種典型的納米蠶絲材料，除了具備天然絲素纖維所具有的優良性能外，還具有更大的比表面積、高的表面能、小尺寸效應、表面效應。
[0003]現在制備絲素納米纖維主要通過靜電紡絲法來制備，該方法需要以再生絲素蛋白溶液為原料，再生絲素蛋白溶液的制備需要經過溶解和透析工藝，工藝復雜、無法量產。
[0004]超聲是一種簡單高效的、直接從絲素纖維中制取絲素納米纖維的方法，具有工藝流程簡單，適合大規模制備等優點(專利200510086251.7)。由于絲素纖維作為長纖維材料不能在溶液中做無規布朗運動，受超聲波自身物理學特性，如聲波傳輸的方向性，反射、折射、散射及吸收引起的聲波隨距離衰減性等影響，被超聲處理的絲素纖維存在一部分發生分裂，而另一部分幾乎不受影響的超聲不均勻性問題，從而造成超聲法制備絲素納米纖維的分纖不均勻且產率極低。針對這一問題，本專利對超聲制備絲素納米纖維的方法進行了優化，并對優化后工藝所制備的絲素納米纖維應用于醫用敷料的性質進行了表征。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于針對超聲制備絲素納米纖維存在的問題，提供一種高效制備絲素納米纖維的方法，以克服現有技術存在的缺點和不足。
[0006]本發明所需要解決的技術問題，一種高效制備絲素納米纖維的方法，可通過以下技術方案來實現:
其特征在于使用凸陣或線陣探頭，超聲探頭和被超聲絲素纖維均浸入溶液中，功率大約在200W?1750W之間，頻率為5千赫茲?5兆赫茲，超聲持續時間為I?24小時，超聲間隔時間為超3?60s停I?10s，過程中控制被超聲溶液溫度在0°C?90°C之間;將被超聲絲素纖維固定在方形中空或者圓形中空的平面夾具上，控制超聲探頭到絲素纖維所在平面的垂直距離為0.1?5cm，以O?5cm/Min的速度水平移動被超聲絲素纖維所在的平面，從而制備得到絲素納米纖維材料。
[0007]所述的絲素纖維包括家蠶、柞蠶、天蠶、野蠶及轉基因蠶所吐絲、所結繭殼脫膠后加工制成的以絲素蛋白為主體形成纖維類和蠶絲織品材料。
[0008]所述的溶液指弱酸、弱堿、純水以及超純水中的任何一種或者多種，或者為碳酸鈉、磷酸三鈉、磷酸二氫鈉和磷酸氫二鈉中的任意2?3種混合溶液。
[0009]所述的超聲功率和頻率是為了保證所制備絲素納米纖維的尺寸比較均勻且90%直徑分布在300nm以內。
[0010]所述的固定絲素纖維是為了便于控制被超聲材料相對超聲探頭的方向和距離，使超聲波從特定的方向持續作用于絲素纖維，使超聲波產生的能量在時間和空間上在絲素纖維表面形成疊加效應，避免超聲處理的絲素纖維表面所存在的分纖不均勻現象。
[0011]所述的以一定速率水平移動絲素纖維是為了在工藝上實現絲素納米纖維的規模化制備。
[0012]本發明通過對超聲工藝條件的精細化控制可以實現直徑在微米尺度的絲素纖維在超聲作用下直接從單根分裂成數百根絲素納米纖維。
[0013]本發明所制備絲素納米纖維具有良好的親水性、水蒸氣透過性能和藥物緩釋性能，本專利保護其在醫用敷料方面的應用。
【附圖說明】
[0014]圖1.超聲條件未優化情況下，單根纖維超聲后分纖后掃描電子顯微鏡圖；
圖2.使用本專利中的優化超聲方法處理后樣品的掃描電鏡顯微鏡圖，單根絲素纖維可以直接分裂成數百根納米纖維；
圖3.使用本專利中的優化超聲處理方法，所制備絲素納米纖維的直徑分布區間統計圖；
圖4.超聲條件未優化情況下，超聲后，絲素纖維表面分纖不均勻性；
圖5.使用本專利中的優化超聲方法處理后樣品的掃描電鏡顯微鏡圖，絲素纖維分纖表面呈現均勻性；
圖6.使用本專利中的優化超聲方法處理后樣品的掃描電鏡顯微鏡圖，絲素纖維分纖表面呈現均勻性；
圖7.使用本專利中的優化超聲處理方法，所制備絲素納米纖維的直徑分布區間統計圖；
圖8.使用本專利中的優化超聲方法處理后樣品的掃描電鏡顯微鏡圖，可以實現絲素納米纖維規模化制備；
圖9.直徑2yL液滴測定下絲素纖維與絲素納米纖維靜態接觸角對比；
圖10.直徑8yL液滴下，絲素纖維與絲素納米纖維靜態接觸角對比；
圖11.絲素纖維、絲素納米纖維與細菌纖維素(BC-Foam)水蒸氣透過性能對比；
圖12.絲素纖維與絲素納米纖維藥物累積釋放(CRP)百分比對比。
【具體實施方式】
[0015]實施例1單根纖維在超聲條件優化前后分纖情況對比
(I)超聲條件未優化情況下，單根絲素纖維超聲處理后分纖情況使用專利200510086251.7的方法，將絲素纖維放入超聲溶液中，用1250 W功率、20 KHz頻率，超3秒停I秒，時間為15 min，超聲處理絲素纖維，超聲對單根蠶絲纖維表面分纖的結果如掃描電子顯微鏡圖如附圖1所示，絲素納米纖維以帶狀從纖維表面逐層脫落，這樣易造成先進入溶液的絲素納米纖維在超聲波作用下溶解到溶液中去，隨著超聲時間延長，超聲制備絲素納米纖維的產率低于1%且無明顯增大的趨勢。由附圖1可以看出，超聲條件未優化情況下，絲素納米纖維從絲素纖維表面逐層分離，且超聲波對絲素纖維(直徑在10?30微米之間)分纖的影響停留在表面I微米范圍內。
[0016](2)使用本專利已優化超聲條件下，單根絲素纖維超聲處理后分纖情況使用本專利的方法，將絲素纖維放入超聲溶液中，用凸陣探頭，用1250 W功率、20 KHz
頻率，超聲持續時間為15分鐘，超3秒停I秒，過程中控制被超聲溶液溫度為50°C，將被超聲絲素纖維固定在圓形中空平面夾具上，控制超聲探頭到絲素纖維所在平面垂直距離為lcm，超聲處理絲素纖維，單根蠶絲纖維表面分纖的結果掃描電子顯微鏡圖如附圖2所示。從圖中可以看出，由于超聲波從特定的方向持續作用于絲素纖維，單根絲素纖維可以直接分裂成數百根納米纖維，避免超聲處理的絲素纖維表面所存在的分纖不均勻現象，使絲素納米纖維的產率高于50%。附圖3可以看出所制備絲素納米纖維直徑在300 nm以下的約占99%。
[0017]實施例2絲素纖維在超聲條件優化前后表面分纖不均勻性對比
(I)使用專利200510086251.7的方法，將絲素纖維放入超聲溶液中，用1750 W功率、20KHz頻率，超3秒停I秒，時間為20 min，超聲處理絲素纖維，超聲對蠶絲纖維表面分纖的結果如圖所示，被超聲絲素纖維表面如附圖4所示。由于超聲作用的瞬間爆發性和絲素纖維相對超聲探頭的位置不同，被超聲作用到的纖維很容易發生分纖作用，而還殘余部分纖維，似乎未受到超聲作用的影響。這種這種一部分纖維發生分纖作用，而另一部分未受影響的絲素纖維分纖不均勻現象嚴重影響超聲生成絲素納米纖維的產率。20分鐘內，絲素納米纖維產率僅為1.2%。
[0018](2)使用本專利的方法，將絲素纖維放入超聲溶液中，使用凸陣探頭，用1750 W功率、20 KHz頻率，超聲持續時間為15分鐘，超3秒停I秒，過程中控制被超聲溶液溫度為50°C，將被超聲絲素纖維固定在圓形中空平面夾具上，控制超聲探頭到絲素纖維所在平面垂直距離為0.5cm，超聲處理絲素纖維。由于固定了絲素纖維，超聲波從特定的方向持續作用于絲素纖維，被超聲纖維表面可實現納米纖維的均勻分布，避免超聲處理的絲素纖維表面所存在的分纖不均勻現象，使絲素納米纖維的產率高于50%，附圖5所示生成絲素納米纖維在放大100倍、1000倍和10000倍時候的掃描電鏡圖，所得絲素納米纖維的直徑90%分布在300nm以下。
[0019]實施例3使用本專利的方法，將絲素纖維放入碳酸鈉和磷酸三鈉混合超聲溶液預處理5小時后，將被超聲絲素纖維固定在方形中空平面夾具上，控制超聲探頭到絲素纖維所在平面垂直距離為0.5cm，超聲處理絲素纖維，使用凸陣探頭，用500 W功率、20 KHz頻率，超聲持續時間為15分鐘，超3秒停I秒，過程中控制被超聲溶液溫度為60°C。所得絲素納米纖維的產率高于50%。如附圖6和附圖7所示，所生成絲素納米纖維在放大100倍和10000倍時候的掃描電鏡圖，所得絲素納米纖維的直徑分布在300nm以下的約占99%。
[0020]實施例4使用本專利的方法，將絲素纖維放入碳酸鈉和磷酸三鈉混合超聲溶液中，將被超聲絲素纖維固定在圓形中空的平面夾具上，控制超聲探頭到絲素纖維所在平面垂直距離為0.5cm，以0.2cm/Min的速度水平移動被超聲絲素纖維所在的平面，使用凸陣探頭，用500W功率、20KHz頻率，超4秒停I秒，過程中控制被超聲溶液溫度為60°C，超聲持續時間為lh，可得直徑約為8cm的絲素納米纖維布(附圖SB中黑色圓圈內區域)。
[0021]
實施例5本方法制備的絲素納米纖維與絲素纖維的親疏水性質對比隨機剪取5塊樣品，分別滴直徑2 μι和8 μ?的水滴5滴到介質表面不同地方，5s后通過儀器自動測定水滴輪廓與介質表面接觸所成的角度來確定介質表面的親疏水性質。Left和Right分別代表左右接觸角度Θ1和Θ2的大小。通常角度大于150度表明介質表面具有超疏水性，接觸角對比如下。接觸角是表征固體平面材料表面親水性能的重要的參數。材料表面的接觸角越小，其親水性越好，反之，其親水性越差。附圖9和附圖10分別為直徑2 μ?和8 μ?水滴接觸到纖維表面1.0 S后系統自動拍下液滴的接觸角數據。從表中可以看出，直徑2 μ I和8μ?水滴在脫膠后絲素纖維表面呈近圓形，靜態接觸角分別為140.7°和135.8°，表現為疏水性，屬于疏水性材料。直徑2 μ?和8 yl水滴在超聲后絲素納米纖維表面成扁平狀，靜態接觸角分別為9.7°和4.0°，表現為親水性，屬于親水性材料。超聲處理使絲素纖維發生分纖，變得更細，同時在纖維表面引入大量羥基，促使絲素纖維從疏水性纖維變為具有良好親水性的絲素納米纖維，有效提高了絲素纖維的生物相容性。
[0022]
實施例6本方法制備的絲素納米纖維與絲素纖維水蒸氣透過性能對比
醫用敷料需要具有適當的水蒸氣透過率，即具備一定的保濕性能才能維持傷口的“濕潤環境” ο水蒸氣透過率太高，易導致傷口滲透液流失和過渡脫水，水蒸氣透過率太低，會影響機體正常新陳代謝并導致傷口惡化。35°C時，人正常皮膚水分揮發量是240 ±12 g.Hf2.cf1，而損傷皮膚水分揮發量較大，根據損傷程度，從279 ±26 g.m—2.d—1到5138 ±202 g.πΓ2.d—1不等，被推薦的醫用敷料的理想水蒸氣透過率在2000?2500 g.m—2.d—1之間。附圖10為絲素纖維和絲素納米纖維的水蒸氣透過率值，結果顯示絲素纖維水蒸氣透過率平均值為1912.41 g.m"2.d"1,絲素納米纖維的水蒸氣透過率平均值為2133.74 g.m—2.d—1。絲素納米纖維的水蒸氣透過率在理想敷料的范圍內，比細菌纖維素(附圖11中BC-Foam)具有更好的透濕性。
[0023]實施例7本方法制備的絲素納米纖維與絲素纖維藥物緩釋性能對比
選用代表性的抗生素阿莫西林為模型藥物，測定所制備納米纖維對阿莫西林的吸附緩釋性能，藥物釋放曲線如下圖所示，由附圖12可以看出，絲素納米纖維比絲素纖維有更好的藥物緩釋性能，其72小時的藥物累積釋放百分比為8%?16%之間。
【主權項】
1.一種高效制備絲素納米纖維的方法，其特征在于使用凸陣或線陣探頭，超聲探頭和被超聲絲素纖維均浸入溶液中，功率大約在200W?1750W之間，頻率為5千赫茲?5兆赫茲，超聲持續時間為I?24小時，超聲間隔時間為超3?60s停O?1s，過程中控制被超聲溶液溫度在0°C?90°C之間;將被超聲絲素纖維固定在方形中空或者圓形中空的平面夾具上，控制超聲探頭到絲素纖維所在平面的垂直距離為0.1?5cm，以O?5cm/Min的速度水平移動被超聲絲素纖維所在的夾具，從而制備得到絲素納米纖維材料。2.權利要求1中所述的絲素纖維包括家蠶、柞蠶、天蠶、野蠶及轉基因蠶所吐絲、所結繭殼脫膠后加工制成的以絲素蛋白為主體形成纖維類材料。3.權利要求1中所述的溶液指弱酸、弱堿、純水以及超純水中的任何一種或者多種，或者為碳酸鈉、磷酸三鈉、磷酸二氫鈉和磷酸氫二鈉中的任意2?3種混合溶液。4.本發明所制備絲素納米纖維具有良好的親水性、水蒸氣透過性能和藥物緩釋性能，本專利保護其在醫用敷料方面的應用。
【文檔編號】A61L24/10GK105862144SQ201610204055
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月5日
【發明人】蔣彥可, 夏慶友
【申請人】西南大學