[发明专利]一种几丁质纳米纤维的制备方法和应用

说明书

本发明属于新材料制备领域，特别是指一种几丁质纳米纤维的制备方法和应用。在浓酸稀释后加入几丁质粉末原料，经过一次的加热酸解后，离心、洗涤并重悬浮沉淀，经过超声处理后得到几丁质纳米纤维的水分散液，也可冻干得到固体粉末。本发明是在酸液下分解几丁质原料为微纤维，再经超声破碎分解为纳米纤维。制备方法简单温和高效可控，降低了酸液用量和制备的能耗，同时，纳米纤维均一，分散性和悬浮性良好，带电性能较高，具有显著的纳米材料特性。本发明通过调节超声破碎条件实现对几丁质纳米纤维尺寸的可控调节；通过调节温度及酸解比例实现对几丁质纳米纤维表面电量的可控调节。

技术领域

本发明属于新材料制备领域，特别是指一种几丁质纳米纤维的制备方法和应用。

背景技术

几丁质是自然界中唯一带正电荷的天然高分子聚合物，广泛存在于甲壳类动物的外骨骼、软体动物的组织器官和真菌的细胞壁等。几丁质以纤维状存在，通过氢键将结构单元N-乙酰葡萄糖胺连接，具有α、β、γ 3种构型。其中α构型几丁质最为普遍，结晶度高，物理性质稳定，来源于虾壳。几丁质具有无毒、生物可降解与生物相容性，能够提高植物生长、诱导植物抗性、提高作物产量，运用于作物病虫害防治、种子包衣、水果蔬菜保鲜。目前在生物医学中，纳米级的几丁质颗粒具有大比表面积与高电荷密度，能够携带药物颗粒跨膜运输，保护药物大分子不被降解，同时能够控制药物或大分子在靶标的释放。此外，纳米几丁质能有效地与细胞膜相互作用并以内吞的方式进入细胞，提高药物的生物利用度，影响药物代谢，减缓药物释放。

目前常用于研究应用的几丁质纳米微粒的制备方法包括酸解法、氧化法、机械研磨法，此外超声分解能够获得尺寸在微米级的几丁质纤维丝/棒。

通过高浓度强酸在高温加热下，缓慢地破坏几丁质结构单位中的-O-键，高浓度的酸液能切断主链结构单元，得到几丁质微粒，并通过通过几个重复循环的酸解—收集—再酸解过程，逐步缩小颗粒片段尺寸，将酸性离子通过透析离子交换去除，但该酸解法需要大量的高浓度酸液，在长时间的高温加热酸解离心循环时，对制备仪器设备的耐酸性要求较高，对热能和电力消耗要求较高，对操作人员的安全性和仪器设备的安全性有着潜在风险，此外，该制备方法中透析需要消耗大量的高纯度试验用水，制备效率较低、成本高，难以应用于大规模制备和生产。

对于氧化法制备几丁质纳米纤维时，几丁质结构中的C-6位在次氯酸液中能被特异性氧化，使主链断裂分解成破碎的微粒，该法制备的纳米纤维的形状、尺寸和分散性及表面电荷特性与次氯酸的含量和比例密切相关，但一般仅能够制备出长度至微米级的纤维粒，需要额外的再处理才能得到真正的纳米几丁质，该制备工艺复杂，需要进行二次加工，制备成本和效率较低，不适用于大规模生产。

对于将研磨法制备纳米几丁质时，需要高压喷水、磨床或高速搅拌机等高耗能精密仪器，且制备效率和产率较低，相对设备成本和耗能耗材成本较高，也不适用于大规模制备和生产。

目前国内关于纳米几丁质的制备已有诸多进展，CN105861478A号专利公开了一种以酸解法为基础的制备纳米几丁质的方法，经过强酸酸解、剧烈机械搅拌、多次重复透析可得到纳米级几丁质颗粒，CN106868631A号专利公开了一种通过有机二元酸酸解几丁质，在进行均质化处理，得到纳米几丁质，CN108864445A号专利公开了一种利用酸解法，将几丁质酸液与交联剂混合、冻融处理后经过机械处理得到纳米几丁质分散液，CN106520741A号专利公开了利用酸解法与酶解法制备高表面活性纳米几丁质的制备方法。

超声波能够在水/空气界面通过空化形成高能化学作用力，包括在水中形成能量核，能量核生长，继而发生坍塌，伴随着快速产生温度、压力和加热/冷却，这个重复的持续过程为打破几丁质纤维间的分子间氢键提供了能量来源，使得残断的主链继续解离，形成更小颗粒的纳米纤维，但单独使用该法耗时较长，制备效率极低，且所制备出的纳米颗粒电荷特性不明显，纳米颗粒的化学活性和生物活性较低，不适用于生物、医药和新材料领域。