專利名稱：一種制備非水溶性絲素納米微晶粉體的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制備非水溶性絲素納米微晶粉體的方法。屬于天然高分子材料領域，這種非水溶性絲素納米微晶粉體可廣泛應用于生物醫(yī)用材料和化學化工等行業(yè)。
背景技術：
天然高分子具有多種功能基團，可以通過化學、物理方法改性為新材料，也可以通過新興科學技術制備出各種功能材料。因此成為材料科學現(xiàn)今最為活躍的研究領域之一。 隨著納米技術的發(fā)展，出現(xiàn)了天然高分子納米材料，如納米纖維、納米膜、納米顆粒、納米微球等。天然高分子納米材料可廣泛應用于生物功能材料等領域，例如，可用于酶的固定化、 生物大分子的分離和提取技術以及生物防御系統(tǒng)。天然高分子納米顆粒與一般無機納米顆粒相比，它們具有可再生性、來源廣泛、密度低等特點，并且表面有許多功能基可以參加接枝反應。納米粒子具備與宏觀顆粒不同的特殊體積效應和表面界面效應，從而表現(xiàn)出獨特的物理和化學特性，由此為制備高性能、多功能復合材料開辟了一個全新的途徑。許多天然高分子本身含有較高的結晶區(qū)，如纖維素、淀粉、甲殼素等，可以通過鹽酸或硫酸降解得到不同形狀的納米級微晶或晶須。研究表明，天然高分子晶須可明顯增強高分子材料的生物相容性、抗菌性、耐水性、力學強度和彈性模量等性能。根據(jù)尺寸和性質的不同，天然高分子納米材料在生物醫(yī)藥、化妝品及日用護膚、環(huán)保、光學等領域具有廣闊的應用前景。正因為天然高分子納米材料存在極大的應用價值，因此其制備方法、性能及應用開發(fā)成為目前國內、外研究熱點之一。例如，蠶絲絲素是從蠶絲中提取的一種天然高分子蛋白，約占蠶絲重量的70%，它具有獨特的分子結構、優(yōu)良的機械性能、與機體有良好的生物相容性。尤其是絲素具有較高的結晶度，其分子本身含有較高的結晶區(qū)，因此可通過物理或化學改性方法制備高結晶度的絲素納米顆粒。目前絲素納米顆粒制備方法的研究很有限， 而且主要采用將絲素在不同溶劑中溶解，透析后，加入有機溶劑使絲素以納米顆粒析出，或將透析后的絲素溶液酶解后冷凍干燥等辦法制備絲素納米顆?；蛭⑶颉＠?，中國專利公開號為CN1834240A，
公開日為2006年9月20日，發(fā)明名稱為“固定化酶的絲素納米顆粒的制備方法”的申請案。該申請案公開了將酶與水溶性絲素溶液混合后，注入到高速攪動的過量水溶性有機溶劑中，形成乳白色結晶性絲素顆粒，經(jīng)過濾或離心去除有機溶劑后，制成結晶性的固定化酶絲素納米顆粒。該方法的缺點在于所采用的是水溶性絲素，其分子量不大，因此在絲素溶液與有機溶劑混合過程中，絲素溶出的收率很低，而且有機溶劑用量很大，存在難以工業(yè)化的不足。公開號為中國專利公開號為CN101168763A，
公開日2008年4 月30日，發(fā)明名稱為“一種納米蠶絲絲素蛋白粉的制備方法”申請案。該申請案公開了采用 50 60wt% NaSCN鹽溶液或LiBr、CH30H、H2O配成的混合溶劑體系溶解絲素蛋白，透析濃縮后，酶解，冷凍干燥或經(jīng)離心蒸發(fā)干燥收集得到粒徑大小為80-500nm的絲素納米顆粒。該方法的不足在于由于酶的降解反應活性高，與絲素溶液混合后，迅速發(fā)生酶切反應，難以控制酶切程度，導致所得絲素納米顆粒粒徑難以控制；另外，絲素溶解過程復雜，所使用的溶劑為高濃度的鹽溶液，透析過程中高濃度的鹽離子難以透析完全，殘留離子可導致酶失去活性從而使酶解反應難以正常進行。此外，上述方法的共同缺點是都需將絲素溶解后再生制備絲素納米顆粒，在絲素溶解過程中，絲素結晶區(qū)的β-折疊結構被破壞，在水溶液中呈無規(guī)線團結構，因此，在絲素溶液與有機溶劑混合過程中，或直接冷凍干燥時，溶出的絲素蛋白主要呈無規(guī)線團結構，結晶度低。故所得納米顆粒盡管具有納米尺度，但很難形成天然絲素蛋白本身具有的結構，因而部分喪失了絲素蛋白原有的優(yōu)良性能，如再生的無規(guī)線團結構的絲素納米粉體作為生物醫(yī)用材料應用或作為藥物載體時，在體內生物降解速度過快，達不到預期的效果。因此，采用上述方法存在制備工藝復雜，造成有機溶劑污染較嚴重， 制備過程中嚴重破壞了絲素的二級結構從而影響其原有的優(yōu)良性能，以及難以工業(yè)化等問題。因此急需尋求更好的制備方法，在不需溶解的條件下，將天然高分子直接酸解制備納米顆粒具有理論上和實踐上的可行性，已成功應用于多糖類天然高分子晶須(如纖維素晶須、淀粉晶須、甲殼素晶須)的制備，但在非水溶性絲素蛋白納米顆粒制備上的應用未見報道。

發(fā)明內容
針對上述技術存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種工藝簡便，污染小，所得產(chǎn)品具有很好的增強增韌效果、生物相容性和生物降解性，以及高結晶度的非水溶性絲素納米微晶粉體的制備方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術方案是一種制備非水溶性絲素納米微晶粉體的方法，所述的制備方法包括以下步驟a將蠶絲在0. 5wt%的Na2CO3水溶液中煮沸40min，用去離子水清洗甩干后得到絲素蛋白纖維，真空干燥，干燥溫度為50°C，干燥時間為12h，將干燥后的絲素蛋白纖維磨制成平均粒徑< 3 μ m的絲素粉體。b將經(jīng)a步驟得到的平均粒徑彡3 μ m的絲素粉體在室溫下按照絲素粉體和H2SO4 重量比1 10 40混配成絲素粉體懸濁液，其中H2SO4溶液的濃度為40 85wt%。c將經(jīng)b步驟得到的懸濁液，升溫至40 80°C，經(jīng)機械攪拌0. 5 6h，然后冷卻至室溫。d將濃度彡20wt %的NaOH溶液加入到經(jīng)c步驟酸解后的絲素粉體懸濁液中進行中和，其中NaOH和H2SO4的摩爾比為2 1，將中和反應后的懸濁液在水中透析3 7天， 經(jīng)離心機離心30min，再經(jīng)冷凍干燥機在-50°C下冷凍干燥36h得非水溶性絲素納米微晶粉體。由于采用了以上技術方案，本發(fā)明的技術方案針對絲素粉體的結構特點，即絲素是由結構排列規(guī)整的結晶區(qū)和疏松的非結晶區(qū)組成，其中結晶區(qū)中的有序排列的納米纖維和短程有序排列的聚合物鏈性質穩(wěn)定，對宏觀力學性能有重大影響，非結晶區(qū)呈無規(guī)結構，性質不穩(wěn)定，易于被酸降解，采用硫酸溶液在不同溫度下酸解不同時間來降解絲素粉體中的非晶態(tài)部分，使得絲素粉體中的結晶區(qū)以納米顆粒的形式存在；絲素粉體的粒徑較小
3 μ m)，表面積大，在酸解過程中，酸解效率高且酸解均勻，可保持絲素蛋白結晶區(qū)中的二級結構不被破壞，更好的保持絲素原有的優(yōu)良結構和性能，同時，非結晶區(qū)經(jīng)酸降解后， 得到的絲素納米微晶粉體具有高的結晶度。采用調節(jié)硫酸的濃度，溫度和酸解時間控制非結晶區(qū)的降解程度以及控制所得顆粒的粒徑大小。用20wt% NaOH溶液中和酸解后剩余的酸，避免酸解結束后殘余的酸繼續(xù)降解絲素，引起絲素蛋白分子量的進一步減小，中和完全后，經(jīng)透析、離心、冷凍干燥，最后可得到結晶度和粒徑不同的絲素納米微晶粉體。制備過程中，無需配置鹽溶液將絲素粉體溶解，也無需使用有機溶劑溶出絲素，簡化了制備過程的操作步驟和流程，同時也提高了絲素納米粉體的收率。本發(fā)明制備非水溶性絲素納米微晶粉體的方法與已有技術相比具有以下優(yōu)點制備方法具有操作簡單，成本低廉，工序簡便，減少了環(huán)境污染，也降低了生產(chǎn)成本。由此制備方法得到的非水溶性絲素納米微晶粉體收率高，可達50 85%，粒徑大小為40 200nm， 作為化妝品添加劑時可大大提高其效率；所得非水溶性納米微晶粉體可達50 85%的結晶度，較高的結晶度可延緩其在生物體內的降解速度，用作藥物載體時可控制藥物緩慢釋放，提高藥效；實驗表明，本方法所得的非水溶性絲素納米微晶粉體在聚氨酯基質中分布均勻，可同時提高聚氨酯材料的斷裂強度、楊氏模量和斷裂伸長率，其較小的粒徑和高的結晶度，賦予其具有良好的增強和增韌效果。因此，可廣泛應用于制備生物醫(yī)用納米復合材料， 在日用保潔護膚及化妝品等領域也具有廣闊的應用前景。
具體實施例方式以下結合具體的實施例對本發(fā)明的技術方案和應用作進一步說明一種制備非水溶性絲素納米微晶粉體的方法，所述的制備方法包括以下步驟a將蠶絲在0. 5wt%的Na2CO3水溶液中煮沸40min，用去離子水清洗甩干后得到絲素蛋白纖維，真空干燥，干燥溫度為50°C，干燥時間為12h，將干燥后的絲素蛋白纖維磨制成平均粒徑< 3 μ m的絲素粉體，除了真空干燥外，也可采用其它干燥方法干燥水洗后的絲素蛋白纖維，干燥后的絲素蛋白纖維可采用球磨機磨制或其它方法達到所需的粒徑。b將經(jīng)a步驟得到的平均粒徑彡3 μ m的絲素粉體在室溫下按照絲素粉體和H2SO4 重量比1 10 40混配成絲素粉體懸濁液，其中H2SO4溶液的濃度為40 85wt%。c將經(jīng)b步驟得到的懸濁液，升溫至40 80°C，經(jīng)機械攪拌0. 5 6h，然后冷卻至室溫，絲素蛋白中的非晶態(tài)部分在此條件下可逐步降解，使得絲素粉體中的結晶區(qū)以納米顆粒的形式存在，同時，酸性條件有利于絲素蛋白中的無規(guī)線團/α-螺旋結構轉變成 β _折疊的結晶結構，使其在納米化過程中進一步結晶化。d將濃度彡20襯％的NaOH溶液加入到經(jīng)c步驟酸解后的絲素粉體懸濁液中進行中和，其中NaOH和H2SO4的摩爾比為2 1，用pH試紙檢測其pH值直至中和反應完全，將中和反應后的懸濁液在水中透析3 7天，使酸解后產(chǎn)生的絲素蛋白分子及鹽離子透析完全，經(jīng)離心機在4000轉的轉速下離心30min，使得非水溶性絲素納米微晶從水中離心析出， 再將析出的非水溶性絲素納米微晶經(jīng)冷凍干燥機在-50°C下冷凍干燥36h得非水溶性絲素納米微晶粉體，也可透析后直接冷凍干燥或采用其它干燥辦法得非水溶性絲素納米微晶粉體。將酸解得到的非水溶性絲素納米微晶粉體與水性聚氨酯按重量比10 90的比例共混，劇烈攪拌30分鐘后，將共混液在室溫下靜置10分鐘，隨后抽真空脫泡，將上述共混液倒入玻璃模具中，在室溫下放置2 3天后真空干燥，得到透明的共混膜材料。實施例1在室溫下，將2g平均粒徑彡3 μ m的絲素粉體和30g濃度為70wt%的H2SO4溶液混配成絲素粉體懸濁液，升溫至40°C，經(jīng)機械攪拌4h后冷卻至室溫，用20wt %的NaOH溶液中和，用流水透析5天，去離子水透析2天，然后用離心機在4000轉的轉速下離心30min，最后，經(jīng)冷凍干燥機在-50°C下冷凍干燥36h得非水溶性絲素納米微晶粉體。將此酸解條件下得到的非水溶性絲素納米微晶粉體與水性聚氨酯按重量10 90的比例共混，劇烈攪拌30 分鐘后，將共混液在室溫下靜置10分鐘，隨后抽真空脫泡，將上述共混液倒入玻璃模具中， 在室溫下放置2 3天后真空干燥，得到透明的共混膜材料。實施例2在室溫下，將2g平均粒徑彡3 μ m的絲素粉體和120g濃度為50wt %的H2SO4溶液混配成絲素粉體懸濁液，升溫至60°C，經(jīng)機械攪拌6h后冷卻至室溫，用20wt %的NaOH溶液中和，用流水透析5天，去離子水透析2天，然后用離心機在4000轉的轉速下離心30min，最后，經(jīng)冷凍干燥機在-50°C下冷凍干燥36h得非水溶性絲素納米微晶粉體。將此酸解條件下得到的非水溶性絲素納米微晶粉體與水性聚氨酯按重量比10 90的比例共混，劇烈攪拌30分鐘后，將共混液在室溫下靜置10分鐘，隨后抽真空脫泡，將上述共混液倒入玻璃模具中，在室溫下放置2 3天后真空干燥，得到透明的共混膜材料。實施例3在室溫下，將2g平均粒徑彡3 μ m的絲素粉體和75g濃度為60wt %的H2SO4溶液混配成絲素粉體懸濁液，升溫至45°C，經(jīng)機械攪拌2h后冷卻至室溫，用20wt %的NaOH溶液中和，用流水透析5天，去離子水透析2天，然后用離心機在4000轉的轉速下離心30min，最后，經(jīng)冷凍干燥機在-50°C下冷凍干燥36h得非水溶性絲素納米微晶粉體。將此酸解條件下得到的非水溶性絲素納米微晶粉體與水性聚氨酯按重量比10 90的比例共混，劇烈攪拌30分鐘后，將共混液在室溫下靜置10分鐘，隨后抽真空脫泡，將上述共混液倒入玻璃模具中，在室溫下放置2 3天后真空干燥，得到透明的共混膜材料。(此實施例為最佳實施例)實施例4在室溫下，將2g平均粒徑彡3 μ m的絲素粉體和200g濃度為40wt %的H2SO4溶液混配成絲素粉體懸濁液，升溫至70°C，經(jīng)機械攪拌Ih后冷卻至室溫，用20Wt%&Na0H溶液中和，用流水透析5天，去離子水透析2天，然后用離心機在4000轉的轉速下離心30min，最后，經(jīng)冷凍干燥機在-50°C下冷凍干燥36h得非水溶性絲素納米微晶粉體。將此酸解條件下得到的非水溶性絲素納米微晶粉體與水性聚氨酯按重量比10 90的比例共混，劇烈攪拌30分鐘后，將共混液在室溫下靜置10分鐘，隨后抽真空脫泡，將上述共混液倒入玻璃模具中，在室溫下放置2 3天后真空干燥，得到透明的共混膜材料。實施例5在室溫下，將2g平均粒徑彡3 μ m的絲素粉體和50g濃度為85wt %的H2SO4溶液混配成絲素粉體懸濁液，升溫至80°C，經(jīng)機械攪拌0. 5h后冷卻至室溫，用20wt %的NaOH溶液中和，用流水透析5天，去離子水透析2天，然后用離心機在4000轉的轉速下離心30min， 最后，經(jīng)冷凍干燥機在-50°C下冷凍干燥36h得非水溶性絲素納米微晶粉體。將此酸解條件下得到的非水溶性絲素納米微晶粉體與水性聚氨酯按重量比10 90的比例共混，劇烈攪拌30分鐘后，將共混液在室溫下靜置10分鐘，隨后抽真空脫泡，將上述共混液倒入玻璃模具中，在室溫下放置2 3天后真空干燥，得到透明的共混膜材料。
實施例1 5的實驗所得非水溶性絲素納米微晶粉體的特性見表-表一
實施例分子量粒徑結晶度(xlO5)(nm)(%)1 211.5113.978.73.6548.184.1334.6145.082.747.2665.766.8516.4176.353.9實施例1 5的實驗所得非水溶性絲素納米微晶粉體與聚氨酯共混后制備出的膜材料的性能見表二表二
實施例
楊氏模量(MPa) 拉伸強度(MPa) 斷裂伸張率(％)
1 21.8±0.11.6±0.1879±10.41.7±0.11.8+0.11781±21.734.0+0.22.2±0.12369±19.843.7±0.12.3 土 0.12073+15.652.4+0.12.7+0.21370±11.權利要求
1. 一種制備非水溶性絲素納米微晶粉體的方法，其特征在于所述的制備方法包括以下步驟a將蠶絲在0. 5wt% WNa2CO3水溶液中煮沸40min，用去離子水清洗甩干后得到絲素蛋白纖維，真空干燥，干燥溫度為50°C，干燥時間為12h，將干燥后的絲素蛋白纖維磨制成平均粒徑< 3 μ m的非水溶性絲素粉體；b將經(jīng)a步驟得到的平均粒徑< 3 μ m的絲素粉體在室溫下按照絲素粉體和H2SO4重量比1 10 40混配成絲素粉體懸濁液，其中H2SO4溶液的濃度為40 85wt% ；c將經(jīng)b步驟得到的懸濁液，升溫至40 80°C，經(jīng)機械攪拌0. 5 6h，然后冷卻至室d將濃度< 20襯％的NaOH溶液加入到經(jīng)c步驟酸解后的絲素粉體懸濁液中進行中和， 其中NaOH和H2SO4的摩爾比為2 1，將中和反應后的懸濁液在水中透析3 7天，經(jīng)離心機離心30min，再經(jīng)冷凍干燥機在-50°C下冷凍干燥36h得非水溶性絲素納米微晶粉體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備非水溶性絲素納米微晶粉體的方法。制備方法采用將平均粒徑≤3μm的非水溶性絲素粉體分散在濃度為40～85％wt的硫酸水溶液中，在40～80℃溫度下機械攪拌0.5～6h后，用濃度為≤20wt％的NaOH溶液中和，透析，離心，然后冷凍干燥得非水溶性絲素納米微晶粉體。該方法操作簡便，所用原材料來源豐富，價格低廉，而且所制得的非水溶性絲素納米微晶粉體結晶度高，具有很好的增強增韌效果且兼有生物相容性和生物降解性。該非水溶性絲素納米微晶粉體可用于制備生物醫(yī)用納米復合材料，而且在日用保潔護膚及化妝品等領域也具有廣闊的應用前景。
文檔編號C07K1/12GK102219844SQ20111008238
公開日2011年10月19日 申請日期2011年4月2日 優(yōu)先權日2011年4月2日
發(fā)明者崔衛(wèi)鋼, 徐衛(wèi)林, 柏自奎, 鄢蕓, 陶詠真 申請人:武漢紡織大學