本發(fā)明涉及一種海藻酸鈉納米纖維的制備方法，尤其涉及一種使用小分子量海藻酸鈉自組裝成納米纖維的方法。

背景技術：

海藻酸鈉(Sodium Alginate，SA)又名褐藻酸鈉，它是由β-D-甘露糖醛酸(M段)和α-L-古洛糖醛酸(G段)通過1-4糖苷鍵連接而成的天然線性高分子。

由于海藻酸鈉具有良好的生物相容性、可降解性、強吸濕性和止血性，使得其在藥物釋放、組織工程上有著廣泛的應用前景。其中，以海藻酸鈉為原料，制成的納米纖維，由于其具有非常高的體積-表面積比，使其在組織工程、藥物釋放等領域具有較高的利用價值。

現有技術中，海藻酸鈉納米纖維的制備只能通過靜電紡絲方法制得。

由于海藻酸鈉分子鏈呈剛性、在溶液中伸展，缺少必要的鏈纏結作用，在其靜電紡絲液的制備中，往往需要向海藻酸鈉溶液體系中添加交聯(lián)劑或大量水溶性柔性高分子，才能使海藻酸鈉紡絲溶液的粘度達到靜電紡絲成形的工藝要求，進而保證靜電紡絲的順利進行。

不難看出，靜電紡絲的主要問題或不足之處在于：一是，紡絲液的制備工藝復雜且工藝參數的控制難度大，相應地，往往造成產品質量(性能指標、纖維形貌等)的穩(wěn)定性差或波動大；二是，靜電紡絲設備造價高、運行成本相對偏高；三是，所制得的納米纖維的直徑比較大，一般都在幾百納米之上。嚴格意義上講，并不能稱之為“納米”纖維。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是，提供一種工藝流程短、工藝簡單易控，節(jié)能環(huán)保，所需要儀器/設備簡單、制備成本低廉、產品質量好，且便于長期保存的使用小分子量海藻酸鈉自組裝成納米纖維的方法。

本發(fā)明為實現上述目的所采用的技術方案是，一種使用小分子量海藻酸鈉自組裝成納米纖維的方法，其特征在于，包括以下步驟：

第一步，小分子量的海藻酸鈉的制備：

按比例，將大分子量的海藻酸鈉加入到去離子水中，經攪拌溶脹、溶解，得到質量百分比濃度為1.5％的海藻酸鈉溶液A；

然后，加入雙氧水，得到混合溶液，混合溶液中雙氧水的質量分數為1.5％～2％；

將混合溶液水浴加熱到65℃，攪拌反應1h～15h；

再按混合溶液與無水乙醇的體積比為1︰2的比例，向混合溶液中加入無水乙醇，沉淀、離心，得到以小分子量海藻酸鈉為主要成分的固形物；

將所得固形物加去離子水溶解，再依次經透析、冷凍干燥之后，得到較純凈的小分子量的海藻酸鈉粉末；

第二步，海藻酸鈉納米纖維自組裝步驟：

邊攪拌邊將所得小分子量的海藻酸鈉粉末加去離子水溶解，得到質量百分比濃度為5％～60％的海藻酸鈉溶液B；

第三步，將所得海藻酸鈉溶液B靜置2h～120h，自組裝成海藻酸鈉納米纖維即可；

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

上述小分子量的海藻酸鈉，是指重均分子量為23kDa～96kDa的海藻酸鈉。

上述技術方案直接帶來的技術效果是，巧妙地通過簡單調控海藻酸鈉的分子量，無需添加任何交聯(lián)劑或電解質鹽類，利用小分子量海藻酸鈉自組裝成納米纖維。其制備方法簡單、直接、高效。特別是，所制備出的海藻酸鈉納米纖維為“純”海藻酸鈉成分，原原本本地保留了海藻酸鈉的諸如：可降解性、相容性等優(yōu)良特性。

不難看出，上述技術方案的制備方法，其工藝流程短、工藝簡單易控，節(jié)能環(huán)保，所需要儀器/設備簡單、制備成本低廉、產品質量好，且便于長期保存。

為更好地理解本發(fā)明的技術特點，下面從原理上進行詳細解釋與說明。

海藻酸鈉易溶于水。但是，由于海藻酸鈉高分子的高粘特性因素的制約，使得其溶解度較低。當其處于水溶液體系中，(海藻酸鈉)濃度達到一定程度時，將會發(fā)生凝膠化。這就是海藻酸鈉在水中溶解度有限的根本原因。

基于對上述客觀規(guī)律的認識，我們在研究中發(fā)現，當海藻酸鈉通過降解，其分子量大幅度降低至一定范圍時，不僅海藻酸鈉在水中的溶解度會顯著增加；而且，海藻酸鈉分子鏈變短后，其剛性大幅增強；當這種海藻酸鈉在水溶液中的濃度達到一定臨界值時，海藻酸鈉分子鏈將會發(fā)生取向聚集，從而發(fā)生自組裝，形成新的結構，即納米纖維。

需要特別指出的是，上述技術方案的制備方法所制得的海藻酸鈉納米纖維可以長時間地、穩(wěn)定地均勻分散/儲存在溶液體系中(無需額外的“分離”步驟)，因而便于儲存。原因在于：

海藻酸鈉在水溶液中由無規(guī)線團結構到納米纖維結構的轉變過程，是一個由無序到有序的過程，這是一個熵減的過程。

在這一過程中，因為海藻酸鈉的分子量的降低使得溶解度大大增加，大量的海藻酸鈉聚集在一起，因此海藻酸鈉的疏水作用增加，疏水作用提供了能量，使得部分海藻酸鈉分子鏈與海藻酸鈉分子鏈緊緊的結合在一起，形成了新的結構，即納米纖維結構；

而納米纖維結構是一種穩(wěn)定的結構，假設要使這種納米纖維結構再變回到原來的無規(guī)線團結構，則需要提供能量，以疏水作用的結合作用。

假設要使這種納米纖維再聚集(長粗、變大)，則仍然是一個熵減過程，也需要外界提供能量。

因此，上述技術方案所制得的存在于溶液體系中的海藻酸鈉納米纖維，其結構是穩(wěn)定的，它的破壞過程是非自發(fā)的。

也就是說，上述技術方案的制備方法，所制得的海藻酸鈉納米纖維可以長時間地、穩(wěn)定地均勻分散/儲存在溶液體系中，是有理論依據的、是可靠的。

優(yōu)選為，上述的使用小分子量海藻酸鈉自組裝成納米纖維的方法，其特征在于，所制得的海藻酸鈉納米纖維直徑為50nm～800nm，長度為3000nm～20000nm。

該優(yōu)選技術方案直接帶來的技術效果是，海藻酸鈉納米纖維直徑為50nm～800nm，長度為3000nm～20000nm，適用于制備高強度、良好觸變性的水凝膠，具有十分廣闊的市場應用前景。

基于上述分析，不難理解，本發(fā)明的技術關鍵點包括：合理控制海藻酸鈉的分子量、濃度和組裝時間。

綜上所述，本發(fā)明相對于現有技術，具有工藝流程短，工藝簡單、易控，節(jié)能環(huán)保，所需要儀器/設備簡單，制備成本低廉，產品質量好，且便于長期保存等有益效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的自組裝原理示意圖；

圖2為實施例2所制得的海藻酸鈉納米纖維的透射電鏡照片。

具體實施方式

下面結合實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。

說明：

1、以下各實施例中，所用海藻酸鈉原料(即，所述的“大分子量的海藻酸鈉”)均為市售產品；H₂O₂和無水乙醇均為市售產品。

2、以下各實施例中，所述的“大分子量的海藻酸鈉”和“小分子量的海藻酸鈉”，分子量都是采用凝膠滲透色譜法(GPC)進行測定的。

3、以下各實施例中，海藻酸鈉納米纖維的形貌均為偏光顯微鏡下的觀測結果；纖維直徑和纖維長度均為透射電子顯微鏡下的觀測結果。

實施例1

制備方法包括如圖1所示的三個步驟：

第一步，小分子量的海藻酸鈉的制備：

按比例，將大分子量的海藻酸鈉(重均分子量為313kDa)加入到去離子水中，經攪拌溶脹、溶解，得到質量百分比濃度為1.5％的海藻酸鈉溶液A；

然后，加入雙氧水，得到混合溶液，混合溶液中雙氧水的質量分數為1.5％；

將混合溶液水浴加熱到65℃，攪拌反應12h；

再按混合溶液與無水乙醇的體積比為1︰2的比例，向混合溶液中加入無水乙醇，沉淀、離心，得到以小分子量海藻酸鈉為主要成分的固形物；

將所得固形物加去離子水溶解，再依次經透析、冷凍干燥之后，得到較純凈的小分子量的海藻酸鈉粉末(重均分子量為74kDa)；

第二步，海藻酸鈉納米纖維自組裝步驟：

邊攪拌邊將所得小分子量的海藻酸鈉粉末加去離子水溶解，得到質量百分比濃度為10％的海藻酸鈉溶液B；

第三步，將所得海藻酸鈉溶液B靜置72h，自組裝成海藻酸鈉納米纖維。

將所得產品分別置于偏光顯微鏡和透射電鏡下觀測，結果顯示，海藻酸鈉納米纖維形貌為線型或支化型；納米纖維直徑為140～150nm，長度為3500～3700nm。

實施例2

制備方法包括如圖1所示的三個步驟：

第一步，小分子量的海藻酸鈉的制備：

按比例，將大分子量的海藻酸鈉(重均分子量為586kDa)加入到去離子水中，經攪拌溶脹、溶解，得到質量百分比濃度為1.5％的海藻酸鈉溶液A；

然后，加入雙氧水，得到混合溶液，混合溶液中雙氧水的質量分數為1.5％；

將混合溶液水浴加熱到65℃，攪拌反應15h；

再按混合溶液與無水乙醇的體積比為1︰2的比例，向混合溶液中加入無水乙醇，沉淀、離心，得到以小分子量海藻酸鈉為主要成分的固形物；

將所得固形物加去離子水溶解，再依次經透析、冷凍干燥之后，得到較純凈的小分子量的海藻酸鈉粉末(重均分子量為95kDa)；

第二步，海藻酸鈉納米纖維自組裝步驟：

邊攪拌邊將所得小分子量的海藻酸鈉粉末加去離子水溶解，得到質量百分比濃度為10％的海藻酸鈉溶液B；

第三步，將所得海藻酸鈉溶液B靜置120h，自組裝成海藻酸鈉納米纖維。

將所得產品置于偏光顯微鏡下觀測，結果顯示，海藻酸鈉納米纖維形貌為線型或支化型；

將所得產品置于透射電鏡下觀測可以看出：納米纖維直徑為50～65nm，長度為3200～3500nm。

圖2為所制得的海藻酸鈉納米纖維的透射電鏡圖。從圖2中可以看到明顯的纖維結構，這說明所得產物為納米纖維。

實施例3

制備方法包括如圖1所示的三個步驟：

第一步，小分子量的海藻酸鈉的制備：

按比例，將大分子量的海藻酸鈉(重均分子量為425kDa)加入到去離子水中，經攪拌溶脹、溶解，得到質量百分比濃度為1.5％的海藻酸鈉溶液A；

然后，加入雙氧水，得到混合溶液，混合溶液中雙氧水的質量分數為1.5％；

將混合溶液水浴加熱到65℃，攪拌反應5h；

再按混合溶液與無水乙醇的體積比為1︰2的比例，向混合溶液中加入無水乙醇，沉淀、離心，得到以小分子量海藻酸鈉為主要成分的固形物；

將所得固形物加去離子水溶解，再依次經透析、冷凍干燥之后，得到較純凈的小分子量的海藻酸鈉粉末(重均分子量為86kDa)；

第二步，海藻酸鈉納米纖維自組裝步驟：

邊攪拌邊將所得小分子量的海藻酸鈉粉末加去離子水溶解，得到質量百分比濃度為10％的海藻酸鈉溶液B；

第三步，將所得海藻酸鈉溶液B靜置96h，自組裝成海藻酸鈉納米纖維。

將所得產品分別置于偏光顯微鏡和透射電鏡下觀測，可以看出：海藻酸鈉納米纖維形貌為線型或支化型；納米纖維直徑為55～70nm，長度為4200～4500nm。

實施例4

制備方法包括如圖1所示的三個步驟：

第一步，小分子量的海藻酸鈉的制備：

按比例，將大分子量的海藻酸鈉(重均分子量為505kDa)加入到去離子水中，經攪拌溶脹、溶解，得到質量百分比濃度為1.5％的海藻酸鈉溶液A；

然后，加入雙氧水，得到混合溶液，混合溶液中雙氧水的質量分數為1.5％；

將混合溶液水浴加熱到65℃，攪拌反應8h；

再按混合溶液與無水乙醇的體積比為1︰2的比例，向混合溶液中加入無水乙醇，沉淀、離心，得到以小分子量海藻酸鈉為主要成分的固形物；

將所得固形物加去離子水溶解，再依次經透析、冷凍干燥之后，得到較純凈的小分子量的海藻酸鈉粉末(重均分子量為91kDa)；

第二步，海藻酸鈉納米纖維自組裝步驟：

邊攪拌邊將所得小分子量的海藻酸鈉粉末加去離子水溶解，得到質量百分比濃度為10％的海藻酸鈉溶液B；

第三步，將所得海藻酸鈉溶液B靜置72h，自組裝成海藻酸鈉納米纖維。

將所得產品分別置于偏光顯微鏡和透射電鏡下觀測，可以看出：海藻酸鈉納米纖維形貌為線型或支化型；納米纖維直徑為165～180nm，長度為4000～4500nm。

實施例5

制備方法包括如圖1所示的三個步驟：

第一步，小分子量的海藻酸鈉的制備：

按比例，將大分子量的海藻酸鈉(重均分子量為313kDa)加入到去離子水中，經攪拌溶脹、溶解，得到質量百分比濃度為2％的海藻酸鈉溶液A；

然后，加入雙氧水，得到混合溶液，混合溶液中雙氧水的質量分數為1.5％；

將混合溶液水浴加熱到65℃，攪拌反應4h；

再按混合溶液與無水乙醇的體積比為1︰2的比例，向混合溶液中加入無水乙醇，沉淀、離心，得到以小分子量海藻酸鈉為主要成分的固形物；

將所得固形物加去離子水溶解，再依次經透析、冷凍干燥之后，得到較純凈的小分子量的海藻酸鈉粉末(重均分子量為23kDa)；

第二步，海藻酸鈉納米纖維自組裝步驟：

邊攪拌邊將所得小分子量的海藻酸鈉粉末加去離子水溶解，得到質量百分比濃度為10％的海藻酸鈉溶液B；

第三步，將所得海藻酸鈉溶液B靜置72h，自組裝成海藻酸鈉納米纖維。

將所得產品分別置于偏光顯微鏡和透射電鏡下觀測，同樣可以看出：海藻酸鈉納米纖維形貌為線型或支化型；納米纖維直徑為50～200nm，長度為3000～5500nm。