專利名稱：：水狀膠體泡沫的制備方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于由水狀膠體制備干泡沫如海綿的方法。
背景技術：
：凝膠、膠原質、纖維蛋白、聚羥基乙酸(PGA)和聚乳酸(PLA)等海綿的制備方法已經公知一段時間了。然而在制備用于生物材料應用的泡沫中存在許多技術，大部分包括有機溶劑的使用，有些使用花費貴得驚人。一個普遍的技術是溶劑澆注，隨后是顆粒濾除。首先將聚合物溶解在有機溶劑中，然后將其與固體“成孔劑”(porogens)例如食鹽混合。將溶劑蒸發(fā)，使得食鹽晶體澆注在聚合物中。接下來將復合物用水瀝濾除去食鹽，留下多孔材料。另一種常用技術是相分離/乳化。可以將聚合物溶解在有機溶劑中然后用水灌成泡沫來制備泡沫。然后將泡沫冷凍并凍干以除去溶劑和水?；诶鋬龈稍锏募夹g并不非常適合于大規(guī)模的操作。冷凍干燥由于所需要的儀器昂貴、脫水速率慢和高能量消耗，因此是非常昂貴的除水方法。制備泡沫的常規(guī)干燥方法包括空氣干燥、冷凍干燥和真空干燥。空氣干燥通過結合離去試劑(leavingagent)、孔澆注或鹽洗脫而在固體或半固體材料中產生孔。通常這一過程花費很長時間，或者通過應用加熱來加速。冷凍干燥花費相當可觀的時間，且受設備中存在的空間的限制。由于所需要的儀器和要達到升華所消耗的能量，它還非常昂貴。真空干燥不允許控制能量輸入速率，因此很難控制所得泡沫中孔的尺寸或孔壁厚度。蜂窩狀固體(Cellularsolids)也可以由凝膠來制備。凝膠廣泛用于食品行業(yè)，且溶質分散到食品中也是普遍可行的(Rassisetal.，1997)。近來，干燥凝膠已經被提議作為食品成分如維生素和礦物以及外科手術或處理后藥物的載體。水狀凝膠可以源自于多糖，在低聚合物濃度時產生精細紋路的凝膠，或者源自于蛋白質，使用較高聚合物濃度。干燥水狀凝膠(hydrocolloidgels)的生產簡單、快速且不貴。根據多孔性和機械強度來控制它們的物理性質能夠使得它們用于更寬范圍的用途。它們也可以用于控制特定干燥食品的聲學響應，并具有很大的潛能將來用于數不盡的不同領域，從食品和包裝到藥物和醫(yī)學保健、日常用品、耕種和農業(yè)以及環(huán)境化學甚至電子工業(yè)。水狀凝膠具有網狀結構，其在合適的溶劑中溶脹。凝膠的溶脹包括由聚合基體彈性延伸產生的網絡壓力的增加。當這一網絡壓力通過脫水的方式變得松弛時就會發(fā)生收縮。在脫水過程中，親水性聚合物基體在干燥前被水包圍，干燥后被空氣包圍。這些相可以分別認為是良溶劑和不良溶劑。不良溶劑會促使聚合物-聚合物相互作用，由此就會導致自發(fā)的塌陷。該塌陷是由脫水過程中溶劑品質的變化而導致的。毛細管壓力也已經被認為是塌陷的原因之一。收縮或塌陷的終點可能是產品從橡膠態(tài)到玻璃態(tài)的過渡。水狀凝膠物理學顯示剛性有一個急劇的增加，這可能是由于填料顆粒的浸透造成的(Eichleretal.，1997)。當兩種聚合物以宏觀顆粒的形式混合在一起時，在干燥材料中的聚合共混物存在相分離的可能。這種分離取決于各種參數，如聚合物各自在所使用的溶劑中的溶解性、與基質表面的相互作用、沉淀方法和干燥方法等。為了避免這些問題，結合并干燥聚合物的納米顆粒(參見Kietzke等，2003)。他們證明含有各種聚合物的納米顆粒的水性分散體可以通過“微乳液”方法制備。他們先將聚合物溶解在合適的溶劑中，然后將其加入到含有適當的表面活性劑的水性溶液中。通過施加高剪切而獲得穩(wěn)定的含有聚合物溶液的小液滴的乳液(所謂的微乳液)。水狀膠體泡沫和海綿既可以在他們產生之后立即通過冷凍干燥制備，也可以在他們浸入不同的碳水化合物溶液中改變他們的物理和化學組成之后通過冷凍干燥制備。所得到的干燥蜂窩狀多孔結構是在固體結構中相互連接的孔網。改變制備過程可以改良這些海綿的機械性能。例如，在濕的瓊脂凝膠中內在的氣泡會急劇降低干燥海綿的機械完整性并影響他們的多孔性。然而，在藻酸鹽海綿中的相同過程僅僅帶來較小的機械改變(Nussinovitch等，1993)。包含在藻酸鹽凝膠中的油削弱了干燥海綿的機械強度，如由形變模量反映的那樣，在破壞時降低了它的應力和硬度，并改變了干燥海綿的孔的粒徑分布和結構(Nussinovitch和Gershon，1997)。海綿的水增塑改變了它們的應力-應變行為。真空干燥的凝膠或者水活性0.33條件下的那些通過脆性斷裂而塌陷。水活性0.57和0.75條件下的海綿通過彈性屈服而出現塌陷(Rassisetal.，1998)。大部分凝膠具有低固含量，并因此具有相當低的總固體量，便于有效干燥。取決于所包括的干燥過程的成本，水狀膠體泡沫和海綿是經濟可行的干燥凝膠產品?；诜涓C壁和整個蜂窩狀結構(cellularstructure)，蜂窩狀固體具有低密度和低機械強度。它們的結構可以根據下述特征分類蜂窩壁的彈性和脆性；在蜂窩狀固體形體中的蜂窩尺寸分布；開孔和閉孔；蜂窩壁的厚度和形狀；在不同長度上的結構一致性。蜂窩狀固體最有價值的性質是它們的密度、傳導性、楊氏模量和強度。蜂窩狀固體通常具有小于0.3kg/m3的相對密度，不過它們可以達到更低的值。蜂窩狀固體的不同結構導致寬范圍的這類性質和更廣的應用。低密度物質轉化成輕便、堅硬、巨大的可漂浮的便攜式結構。它們的低熱傳導性致使熱絕緣。在本領域中需求由水狀膠體制備泡沫和海綿的新的改良方法。
發(fā)明內容本發(fā)明提供一種生產固體水狀膠體泡沫的方法。該方法包括將水狀膠體聚合材料結合到水溶液中，形成凝膠，并將凝膠在真空下暴露在輻射能中。任選地，該泡沫可以包含活性成分。該方法允許操控泡沫特性，例如孔尺寸分布和機械強度。本發(fā)明提供一種水狀膠體泡沫的制備方法，包含如下步驟將水狀膠體聚合材料結合到水性溶劑中以形成凝膠；將該凝膠在真空下暴露在輻射能中，使溶劑從凝膠中沸騰，從而形成泡沫。根據本發(fā)明形成的泡沫可以用作殺菌的海綿，用作骨頭和牙齒應用中的復合材料如組織生長支架，在外科手術后、處理燒傷中用作藥物傳輸的內部或外部吸收劑，或者用作生物所需成分如維生素、礦物質或抗氧劑的載體。根據本發(fā)明形成的海綿的用途也可以是泡沫和海綿普遍可適用的其它用途。通過本發(fā)明的下述特定實施方案的說明，并結合附圖，本發(fā)明的其它方面和特征對本領域普通技術人員來說會變得更加清晰。下面將會參考附圖通過實施例描述本發(fā)明的實施方案，其中圖1A是顯示根據本發(fā)明實施方案的水狀凝膠蜂窩海綿的特定制備過程的流程圖。圖1B是顯示根據本發(fā)明實施方案的泡沫的一般制備過程的流程圖。圖2顯示的是平均初始楊氏模量為0.16kPa的泡沫的孔喉(porethroat)尺寸分布。圖3顯示的是平均初始楊氏模量為6.1kPa的泡沫的孔喉尺寸分布。圖4顯示的是平均初始楊氏模量為16.3kPa的泡沫的孔喉尺寸分布。圖5顯示的是平均初始楊氏模量為27.1kPa的泡沫的孔喉尺寸分布。圖6顯示的是平均初始楊氏模量為274.4kPa的泡沫的孔喉尺寸分布。圖7顯示的是平均初始楊氏模量為732.5kPa的泡沫的孔喉尺寸分布。圖8顯示的是平均初始楊氏模量為1175kPa的泡沫的孔喉尺寸分布。圖9顯示的是平均初始楊氏模量為3000kPa的泡沫的孔喉尺寸分布。圖10顯示的是平均初始楊氏模量為0.16kPa的干燥蜂窩狀固體的應力-應變關系。圖11顯示的是平均初始楊氏模量為6.1kPa的干燥蜂窩狀固體的應力-應變關系。圖12顯示的是平均初始楊氏模量為16.3kPa的干燥蜂窩狀固體的應力-應變關系。圖13顯示的是平均初始楊氏模量為27.1kPa的干燥蜂窩狀固體的應力-應變關系。圖14顯示的是平均初始楊氏模量為274.4kPa的干燥蜂窩狀固體的應力-應變關系。圖15顯示的是平均初始楊氏模量為732.5kPa的干燥蜂窩狀固體的應力-應變關系。圖16顯示的是平均初始楊氏模量為1173.5kPa的干燥蜂窩狀固體的應力-應變關系。圖17顯示的是平均初始楊氏模量為3000kPa的干燥蜂窩狀固體的應力-應變關系。圖18是具有初始模量為6.1kPa的泡沫的SEM視圖。圖19是具有初始模量為16.3kPa的泡沫的SEM視圖。圖20是具有初始模量為27.1kPa的泡沫的SEM視圖。圖21是具有初始模量為732.5kPa的泡沫的SEM視圖。圖22是具有初始模量為1173.5kPa的泡沫的SEM視圖。圖23顯示的是根據現有技術的方法形成的空氣干燥海綿的應力-應變關系。圖24顯示的是根據現有技術的方法形成的真空干燥海綿的應力-應變關系。圖25顯示的是根據現有技術的方法形成的冷凍干燥海綿的應力-應變關系。圖26顯示的是根據本發(fā)明形成的海綿的應力-應變關系。圖27是根據現有技術的方法形成的空氣干燥海綿的SEM視圖。圖28是根據現有技術的方法形成的真空干燥海綿的SEM視圖。圖29是根據現有技術的方法形成的冷凍干燥海綿的SEM視圖。圖30是根據本發(fā)明形成的海綿的SEM視圖。具體實施例方式本發(fā)明提供了從水狀膠體制備固體狀干燥泡沫和海綿的方法。在這里使用的術語泡沫指的是具有相互連接的開孔或者在其中形成的孔的基體，且可以是任何堅硬或者柔韌的這類產品。術語“海綿”在這里是指能變形的且可以擁有一定程度吸收能力的一類泡沫。海綿可以認為是含有可以使得泡沫柔軟且有點易彎曲的確定含水量的泡沫。可以根據本發(fā)明形成多種泡沫類型，包括海綿。這里使用的術語輻射能是指能夠穿透凝膠材料的電磁能。這也可以進一步根據例如在微波或放射頻率范圍中的波長來定義，其需要波長在1厘米到10米之間。術語REVTM是指在真空下的輻射能。這里使用的術語蜂窩和孔可互換地表示在膨脹的泡沫結構中的空氣空間。這里使用的術語凝膠是指任何在水性溶劑中包含水狀膠體聚合材料的固體或半固體凝膠狀材料。任選地，在凝膠中可以包括其它成分，例如活性成分。作為半固體，該凝膠可以在一定程度上易彎曲或者易流動，只要當該凝膠在真空下暴露在輻射能中時能夠達到所希望的形狀或者容積即可。由水狀膠體制備海綿或泡沫的一般步驟是先形成水性凝膠，接著將該凝膠在真空下充分地暴露在輻射能中以使得溶劑沸騰，由此形成泡沫。下面更詳細地討論每一個步驟。在第一個步驟中，通過在水性溶劑中溶解一種或多種合適的聚合材料形成固體或半固體的水性凝膠。適合于生產水狀膠體海綿的聚合材料是能夠在水溶液中形成水狀膠體的那些材料，其能力本領域熟練技術人員很容易確定。這類聚合材料在這里可互換地指水狀膠體聚合材料。水狀膠體聚合材料的實例包括但不限于鄰苯二甲酸纖維素乙酸酯(CAP)，羧甲基纖維素，果膠(包括低和高甲氧基果膠)，藻酸鈉，甘油，羥丙基甲基纖維素(HPMC)，甲基纖維素，角叉菜膠，阿拉伯樹膠，黃原膠，刺槐豆膠(locustbeangum)，分離大豆蛋白，殼聚糖，麥芽糖糊精，膠原，藻酸鹽，聚乙二醇酸，淀粉如木薯淀粉、玉米淀粉、馬鈴薯淀粉，和明膠。其中溶解聚合材料的溶劑是水性的，例如蒸餾水。然而，該溶劑可以包括其它流體組分作為添加劑。例如這類添加劑可以是油如椰子油、玉米油、花生油、氫化植物油、橄欖油、礦物油等。在包含不能立即溶解在水性溶劑中的油或其它添加劑的情況，可以形成乳液或“微乳液”以保證最終形成的凝膠是一致且均勻的?？梢匀芜x地往溶劑中加入表面活性劑，例如甘油，丙二醇，卵磷脂，Tween-80，Tween-20，或蠟如白蠟、蜂蠟等。任選地，在濕的基礎上溶劑可以是總凝膠的70％-95％。不過，更稀釋或濃縮的凝膠可以用于所希望的特定應用。其它非水性溶劑也可以使用，只要沸點溫度不會破壞泡沫組分的生物活性即可。沸點可以低于70℃，優(yōu)選低于37℃。然而，當用水作為溶劑時，可以實現使用水性溶劑而不需要采用苛刻的有機溶劑的優(yōu)點。為了一旦成形時將活性成分均勻地合并入泡沫基體中，可以任選地在任何點將活性成分加入到溶劑中。活性成分的實例包括藥物和其它生物活性化合物，例如殺菌劑，殺精子劑，殺真菌劑，抗生素如青霉素或褐霉酸，抗癌藥物，強心劑，抗高血壓劑，抗嘔吐藥物，胰島素，生物蛋白質，碳水化合物，荷爾蒙，如可以在出生控制應用中使用的那些荷爾蒙，營養(yǎng)素如維生素、礦物質或抗氧劑。其它組分也可以加入到聚合材料和溶劑的結合混合物中以產生所希望的效果。例如可以加入酸和堿，如檸檬酸、碳酸氫鈉、以及其它，以便于可以實現酸-堿反應。根據本發(fā)明可以采用多種水狀膠體的組合以開發(fā)具有所希望楊氏模量值的濕的水凝膠。根據本發(fā)明的方法水狀膠體的楊氏模量是可以操控的因素，用以獲得不同的孔尺寸或泡沫性質。通過在這一階段評價此參數，本方法有利地實現操控所形成泡沫的最終性質。將聚合材料與溶劑和任何任選的添加劑結合之后，通過結合組分的凝固形成凝膠。一旦凝膠固化，根據需要它就可以任選地成形或切割成所希望的部分、尺寸或構型。凝膠冷凍是進一步可選擇的步驟，可以在將凝膠在真空下暴露在輻射能中之前采用。如果采用，該冷凍步驟就能夠在真空中輻射能條件下的干燥過程中有利地控制或者幫助維持凝膠的溫度。冰和水在介電性質上大的變化幫助冷凍的凝膠樣品在干燥過程中溫度增加。未冷凍的樣品在干燥過程中溫度也會增加，但是通過冷凍凝膠，溫度增加的速率受到影響，泡沫性質就能被操控。有利地，在泡沫形成之前冷凍凝膠可以幫助維持均勻的溫度增加。同樣在某些凝膠中，任選的冷凍步驟允許冰晶的形成，其充當了成孔劑(porogens)。冰晶尺寸影響最終材料中孔的尺寸和數目。通過調節(jié)凝膠的冷凍速率和冷凍溫度來控制尺寸；低溫和快速冷凍會產生小的晶體，而在較高溫度下緩慢冷凍產生較大的晶體。典型的冷凍條件是-80℃下1-3小時。當然，為了操控所希望的泡沫特性，這一冷凍溫度和時間也可以變化。在根據本發(fā)明的第二個步驟中，將該凝膠在真空下暴露在輻射能中。輻射能照射和應用真空的結合在這里可互換地指REVTM。充分地應用輻射能和真空條件的結合效果，以導致溶劑沸騰，從而形成泡沫。所采用的真空應當最理想地在真空室中維持在0-760mmHg，示范性的范圍可以是30-760mmHg之間。真空室可以裝配成允許凝膠從輻射能場連續(xù)地進料?？梢圆捎瞄g歇或連續(xù)進料的方法。用于形成泡沫的凝膠的典型的初始楊氏模量值可以為約0.16kPa到3000kPa。當然，為了達到所希望的性質，也可以采用超出此范圍的值。所采用的輻射能典型地在150-5000瓦每千克初始質量之間，示范性的范圍為150-2000瓦每千克初始質量。應用能量的一個可能的方式是通過微波能。因此，能夠達到真空條件的微波室是一個可能的設備部件，根據本發(fā)明可以采用作為干燥室。典型地，根據本發(fā)明的方法形成的蜂窩的平均直徑可以在0.003-500微米之間。當然，這是示范性的范圍，如果需要，超出此范圍的孔尺寸也可以實現。典型地，此過程所產生的泡沫或海綿中所希望的水活性水平低于0.85，以限制孢子細菌的生長。當然，對于一些應用來說，可能需要較高的水活性，細菌生長就可以以其它方式來阻止。在一些材料中，水活性低于0.60可能是所希望的，更進一步，一些材料可能從水活性低于0.55或低于0.30中受益，從而達到所希望的化學穩(wěn)定性。有利地，本發(fā)明的方法可以實現對水活性的良好控制。在干燥室中，為了達到均勻的輻射能吸收，可以任選地允許濕的凝膠材料維持恒定的移位(displacement)。有利地，當待引入凝膠中的活性成分太敏感而不能通過其它需要更高熱量的方法并入到泡沫中時，可以采用本方法。因為輻射能是在真空下應用，所以比不采用真空產生的熱量更少。這就允許了將熱敏感性的藥物合并入泡沫基體中而沒有被破壞的危險。倘若是采用適當的能量和真空的組合，不能耐受溫度超過約20℃的對溫度非常敏感的組分也可以小心使用。會反射微波功率量的金屬的使用是在微波能應用中所不希望的?？梢匀芜x地采用其它類型的加熱如水加熱、電加熱或對流加熱來促進溶劑的沸騰或者在產生的泡沫中達到所希望的性質。然而，本發(fā)明相對于現有技術干燥方法的優(yōu)勢就在于不需要這類常規(guī)的溶劑沸騰方法，因此本方法可以實現熱敏感化合物或材料的引入。根據本方法形成的泡沫和海綿擁有使用常規(guī)干燥方法所不能再生的特征。具體地，所產生蜂窩的均勻性和蜂窩壁的厚度都是本發(fā)明工藝的特征且很容易通過本發(fā)明的工藝來操控。孔尺寸可以達到0.003-500微米的范圍。然而，在現有技術中，要產生這樣的孔需要采用另外的區(qū)別于干燥步驟的孔形成技術。例如，氣體發(fā)泡、相分離和鹽析方法在與常規(guī)干燥方法相結合時能夠產生多種尺寸的孔。本發(fā)明的優(yōu)勢在于，孔形成并不需要這些另外的孔形成技術，盡管為了達到所希望的效果可能會選擇使用這些技術。圖1A所示為根據本發(fā)明的實施方案制備水狀凝膠蜂窩海綿的流程圖。簡單地說，選擇了物料。在這種情況中，使用了聚合材料，表面活性劑和水性溶劑。制備了所選聚合材料的混合物(這里稱為“微乳液”)。任選地，將微乳液在-35℃下冷凍約18小時。作為進一步的選擇，通過例如切割、模塑或者加入附加的添加劑將微乳液進一步加工成凝膠。作為進一步的選擇，可以將變成凝膠的微乳液冷凍。隨后，將該凝膠在真空下暴露在輻射能中，在這種情況中，為批量100-300g提供了示范性的條件。應該理解本發(fā)明可以擴展至超出這一實例而包括這些范圍之外的加工條件。水活性通過選擇合適的加工條件來調節(jié)。圖1B所示為根據本發(fā)明的實施方案制備泡沫的流程圖。通常，使用所選擇的在水性溶劑中的聚合材料制備凝膠。隨后，通過將該凝膠在真空下暴露在輻射能中而形成泡沫，其量為足以通過溶劑的沸騰將凝膠膨脹成泡沫。作為可選的步驟，可以加入添加劑如活性成分(例如藥物)，且該凝膠可以在暴露在真空輻射能中之前先冷凍。相對于已有的一般用于生物材料海綿脫水的方法，使用在真空下輻射能干燥的許多優(yōu)點都可以實現。例如，使用本發(fā)明的方法不需要增加使用補充工藝在泡沫中產生孔的附加步驟，因為它可以并入干燥步驟。例如，鹽析、氣體發(fā)泡、相分離等等都不是必需的。當然，這些步驟可以任選地加入到本發(fā)明的方法中，但是它們并不是獲得泡沫結構所必需的。使用真空下的輻射能干燥凝膠，因為產生了蒸汽，材料內部和外部存在壓力差從而形成了泡沫中的孔。本發(fā)明某些方面的另一個優(yōu)點是不需要使用有機溶劑制備泡沫和海綿。對于常規(guī)的干燥工藝，可以加入有機溶劑然后在加工或者干燥步驟中除去。當然，為了達到所希望的效果，根據本發(fā)明向水性溶劑中加入一些有機溶劑也是可取的，這也是可以采取的一個選擇。然而，對于本發(fā)明來說這不是必需的。根據本發(fā)明，電磁能的均勻吸收可以通過材料穿過輻射能場如微波場的物理運動來達到。在使用微波的情況中，微波功率直接被材料吸收。如果這一過程在真空中發(fā)生，就會出現快速干燥，材料中就產生了孔。其后可以通過脫水來穩(wěn)定產品的多孔形態(tài)，增加泡沫的剛性到所希望的水平。在歸因于任選的施加熱能作用而脫水的過程中，可以發(fā)生額外的水凝膠材料的交聯。根據本發(fā)明形成的泡沫的更多優(yōu)點是泡沫可以制得比用其它方法形成的更強勁和堅硬的泡沫，這是因為其更厚的孔壁和任選的可以用于化學增強蜂窩壁的熱交聯。孔在干燥過程中形成，因此不需要單獨的孔形成步驟。通過控制材料的楊氏模量性質、應用的真空強度和應用的輻射功率，本發(fā)明的方法可以控制孔尺寸以及形成強度和剛性。有利地，可以達到開放的、相互連接的孔結構，其對于需要可進入表面的許多應用來說是很令人期望的。同樣，可以實現脫水到任何水活性，而不僅僅是由冷凍干燥實現的非常低的水活性(小于0.40)。為了獲得更軟的海綿，可能期望具有更高的水活性(接近0.85)。依賴于濕的水凝膠的密度和楊氏模量，使得孔尺寸的增加或降低成為可能。與冷凍干燥不同，合并入本發(fā)明泡沫的油在REV干燥基礎上產生了高機械強度的泡沫。此外，具有更高初始楊氏模量的材料具有相比于中孔和大孔更多的微孔。另一方面，在對于特定材料楊氏模量容易確定的水平，增加楊氏模量就會增加中孔和微孔的百分比。過了這個水平，增加楊氏模量就會觀察到相反的效果。楊氏模量是起始材料的性質，且可以通過使用不同比例和組合的水狀膠體聚合材料、生物材料、溶劑、添加劑和/或表面活性劑加以改變。在下面的實施例中，所測試的水凝膠的楊氏模量在0.16-3000kPa范圍內?？壮叽绲脑黾于厔菀恢钡?74.4kPa，之后就呈降低趨勢。根據本發(fā)明可以操控干燥固體的硬度。增加初始楊氏模量就會增加硬度。通過調節(jié)濕的水凝膠的初始楊氏模量或者通過改變所應用的真空水平可以控制孔尺寸。初始楊氏模量可以通過在制備濕的水凝膠時進行下述不同的交聯過程來改變，同樣也可以通過改變所用材料的類型和質量來改變。與其它的脫水技術不同，真空下輻射能的應用導致所產生的泡沫具有更大的孔壁強度，可能是因為在脫水過程中的熱交聯。這可以通過在下面實施例中提供的應力-應變關系曲線詳細說明。根據本發(fā)明形成的泡沫和海綿具有許多用途。一個這類用途就是例如在外科手術之后或者在處理燒傷中作為內部或外部吸收劑。如果海綿可以被人體降解，則與常規(guī)吸收劑的除去和更換相關的問題就消除了。基于凝膠的海綿或泡沫除了其相容性、吸附能力和降解性外，對一些特定應用還應該滿足的一個條件是它應該機械穩(wěn)定。已知為殺菌海綿的某些水狀膠體海綿已經顯示具有預防性傳播疾病(STDs)(包括AIDS和皰疹)的致病劑傳播的潛能(Neurath等2003)。殺菌海綿可以有利地擁有下述特性1)殺菌活性是建立在泡沫性質中的，所以泡沫組分的結構中包含活性成分；2)它應該吸收生理流體然后分解；3)病原體應該結合到泡沫結構上并迅速失活；4)該泡沫能夠轉化成軟凝膠以便于不需要將其除去；5)如果產品要適合在發(fā)展中國家使用，則低生產成本是所希望的；6)服從工業(yè)大規(guī)模生產同樣也是所希望的，還有集成制造和包裝；和7)增加健康的酸性陰道環(huán)境的能力會是有用的屬性，也會是導致產品用作直腸殺菌劑變體的潛能(Neurath等，2002)。組織工程應用也可以使用根據本發(fā)明制備的泡沫。該泡沫可以提供多孔支架，組織可以在上面生長。此外，該泡沫可以提供生物降解復合材料，該復合材料既可以在結構上用在人體或動物體中，又可以如所需要的那樣在恢復期間或者形成復合材料的成分緩慢釋放期間緩慢分解。在骨組織情況中，作為支架的所使用泡沫的開孔結構可以容許骨組織的生長，甚至可以用于提供支持蜂窩或組織形成的營養(yǎng)素或材料。在某些應用中，海綿或泡沫本身可以由生物材料(例如膠原)制成，由于可以實現對溫度的完全控制，因此任何并入泡沫的生物材料不會在較高的溫度下變性。例如，如果使用生物材料作為聚合材料，則可以將溫度維持在65℃以下，或者甚至是37℃以下，這是為了保證對生物分子沒有不利的影響。用于這一應用的這類成分可以包括抗生素、生長促進物質、荷爾蒙、生物蛋白質等。根據本發(fā)明形成的海綿或泡沫也可以用于靶向藥物傳輸。如上所述，生物活性成分如藥物可以并入泡沫結構使得藥物保留在該結構中。將這樣的結構植入到人體或動物體后，生物降解泡沫的緩慢釋放會導致藥物在植入泡沫的局部區(qū)域釋放。這類藥物或活性試劑將會釋放的速率可以由泡沫的特性來操控。此外，這一方法所提供的極大的優(yōu)點在于，即使是熱敏感的藥物也可以并入到此結構中，因為干燥方法使用真空和輻射能以這樣的方式結合從而避免了會破壞或者導致這類成分變性的高溫。當用于外科手術部件或與人體或動物體的外科手術操作相關的其它應用時，該海綿或泡沫可以用于吸收，替換除去的材料，作為新組織可以生長的支架，或者例如為了防止傳染或嘔吐，作為緩慢釋放效應如所需要的那樣將藥物釋放到外科手術區(qū)域。作為創(chuàng)傷敷料，根據本發(fā)明制備的海綿或泡沫既可以內用也可以外用于身體上。本發(fā)明包括了具有緩慢可生物降解創(chuàng)傷敷料的選擇，即在海綿或泡沫基體中合并入醫(yī)學或其它活性成分。以下提供根據本發(fā)明形成的海綿或泡沫的實施例。實施例1冷凍形成的殺菌海綿使用旋轉型實驗室混合器(UltraTurrax，T25basis；IKALabortechnic)分別以2∶3∶1∶1(％w.b)的比例將果膠、CAP、甲基纖維素和甘油混合均勻。混合之后，均勻混合物變成凝膠。使用實驗室水浴(MagniWhirl恒溫水浴，BlueMelectriccompany，ILL，USA)將該混合物加熱到80±5℃，然后冷卻到室溫。在冷卻步驟之后，使用圓形中空圓柱模將變成凝膠的材料切割成所需要的形狀。在測定了初始水分含量(烘箱法)和楊氏模量(壓縮測試，使用TextureAnalyzer，TA-XT2model，StableMicroSystem，USA)之后，使用FormaBioFreezer(FormaScientific)將樣品在-35℃下快速冷凍18±2小時。然后使用實驗室真空輻射能干燥器干燥。在干燥期間絕對壓強維持在51mmHg(即真空水平為709mmHg)，使用的微波功率為300瓦；反射回磁控管的能量從50-100變化，取決于干燥期間產品的水分含量。干燥過程一直持續(xù)到產品的濕基水分含量達到20-25％(計算值)。將疏松的泡沫從干燥器移出并在聚乙烯袋中包裝。干燥泡沫最終的水分含量和水活性在干燥24小時后(允許樣品保持平衡)使用烘箱法和Aqua實驗室水活性儀(型號系列3，DecagonDeviceInc.，Washington，USA)測量。實施例2未經冷凍形成的殺菌海綿使用旋轉型實驗室混合器(UltraTurrax，T25basis；IKALabortechnic)分別以2∶3∶1∶1(％w.b)的比例將果膠、CAP(鄰苯二甲酸纖維素乙酸酯e)、甲基纖維素和甘油混合均勻?；旌现髮⒕鶆蚧旌衔镒兂赡z。使用實驗室水浴(MagniWhirl恒溫水浴，BlueMelectriccompany，ILL，USA)將該混合物加熱到80±5℃，然后冷卻到室溫。在冷卻步驟之后，使用圓形中空圓柱模將變成凝膠的材料切割成所需要的形狀。在測定了初始水分含量(烘箱法)和楊氏模量(壓縮測試，使用TextureAnalyzer，TA-XT2model，StableMicroSystem，USA)之后，使用FormaBioFreezer(FormaScientific)將樣品在-35℃下快速冷凍18±2小時。然后使用實驗室真空微波干燥器進行干燥。在干燥期間絕對壓強維持在51mmHg(即真空水平為709mmHg)，使用的微波功率為300瓦。干燥過程一直持續(xù)到產品的濕基水分含量達到20-25％(計算值)。將疏松的泡沫從干燥器移出并在聚乙烯袋中包裝。干燥泡沫最終的水分含量和水活性在干燥24小時后(使樣品達到平衡)使用烘箱法和Aqua實驗室水活性儀(型號系列3，DecagonDeviceInc.，Washington，USA)測量。表1所示為在實施例1和2中描述的含果膠的水狀膠體海綿的性質，除了在表中描述的該過程的參數外還有與實施例1和2中相似的過程形成的各種變化。提供了初始原料和在REV照射和干燥之后形成的產品的特性。這些數據列舉了通過變化工藝參數可以影響和操控的產品品質。每次試驗的初始質量都是100克。表2提供了在實施例3和4中描述的HPMC水狀膠體泡沫的性質，除了在表中描述的該過程的參數外還有與實施例3和4中相似的過程形成的各種變化。提供了初始原料和在REV照射和干燥之后形成的產品的特性。這些數據列舉了通過變化工藝參數可以影響和操控的產品品質。每次試驗的初始質量都是100克。表1含果膠的水狀膠體海綿的性質表2含HPMC的水狀膠體泡沫的性質實施例3冷凍形成的HPMC甘油泡沫將6gHPMC和甘油的混合物與94g水混合制得6％的固體溶液。使用兩種不同粘度的HPMC。一種是4000cp，另一種是400cp。甘油的量在0-2g之間變化。兩種HPMC都在1-6g之間變化，取決于甘油的量。使用機械攪拌器將總共6％的混合物和94％的水混合?；旌现笫褂肦V型Brookfield粘度計(Brookfield，MA，02346U.S.A)測量溶液的粘度。將約100g樣品在干燥之前冷凍18±1h。然后控制功率和壓力進行REV應用。接著將疏松樣品從真空微波干燥器中移出并在聚乙烯自密封袋中包裝。實施例4未經冷凍形成的HPMC甘油泡沫將4g羥丙基甲基纖維素(HPMC4000cp)和2g甘油與94g水混合制得6％的固體溶液。使用兩種不同粘度的HPMC。一種是4000cp，另一種是400cp。甘油的量在0-2g之間變化。兩種HPMC都在1-6g之間變化，取決于甘油的量。使用機械攪拌器將總共5-6％的固體與水混合。在混合過程中形成了泡沫。這樣在混合之后保持溶液不受任何干擾并允許泡沫沉降。在這之后使用RV型BrookfieldTM粘度計(Brookfield，MA，02346U.S.A)測量溶液的粘度。在控制功率和壓力下使用REV使得約100g樣品蓬松。之后將疏松樣品從真空微波干燥器中移出并使用聚乙烯自密封袋包裝。實施例5使用磁攪拌器將約7g藻酸鈉與93g水混合達到均勻溶液。將約20g玉米淀粉或木薯淀粉分別與80g水混合。淀粉溶液和藻酸鹽溶液都混合達到淀粉和藻酸鹽的均勻連續(xù)相。接著將混合溶液分別滴入1％(w/v)的氯化鈣溶液中。自發(fā)形成了鈣交聯，且藻酸鹽淀粉混合物變成了凝膠。產生了直徑在2-4mm范圍內變化的小珠粒。然后將氯化鈣溶液除去，并將珠?？諝飧稍?小時以除去表面水分，多次變換吸水紙。將自由流動的無粘性珠粒在-35℃下冷凍18小時，然后使用REV在600瓦的功率和50mmHg絕對壓強下干燥。之后將疏松的珠粒移出并使用聚乙烯自密封袋包裝。將橫切的珠粒在顯微鏡下用40放大倍數觀察。其顯示蜂窩基體被材料薄膜覆蓋，形成多孔珠粒。實施例6將刺槐豆膠(3％)、果膠(2％)、甲基纖維素(2％)和木薯淀粉(3％)與2％的椰子油、2％的蜂蠟和0.5％的甘油(都是w/w)混合。用于制備水狀膠體溶液的水的量計算為90％(w/w)，不考慮加入的椰子油、蜂蠟和甘油。首先將稱重的蜂蠟熔化，將椰子油和甘油加入到熱的熔融蜂蠟中，然后加入計算量的刺槐豆膠、果膠、甲基纖維素、木薯淀粉和水。使用手動攪拌器將所有的物料混合好，以得到均勻的溶液。將大約等量的均勻水狀膠體溶液倒入小塑料杯(底部內徑43mm，上部內徑56mm，高25mm)中。將這些杯子在-80℃的冷凍庫(FormaTMBioFreezer，FormaScientific)中快速冷凍并并將這些溶液模塑。將冷凍的模具從杯中分離并在室溫下將膠狀物浸入1.5％的氯化鈣溶液中24小時以制備凝膠。在凝膠制備中涉及的機理是氯化鈣和刺槐豆膠之間的交聯，同樣還有果膠和氯化鈣之間的交聯。這使得凝膠形狀穩(wěn)定并產生了柔軟的固體結構。所用的氯化鈣溶液的量為足以將所有的冷凍膠狀物浸沒。在浸沒期間，冷凍的模具融化，同時發(fā)生交聯。測定初始和最終的水分含量(烘箱法)和楊氏模量(TextureAnalyzer，TA-XT2model，StableMicroSystem，USA)。使用實驗室真空微波干燥器進行干燥。在干燥期間絕對壓強維持在25mmHg，使用的微波功率為600-700瓦。干燥過程一直持續(xù)到產品的濕基水分含量達到10-15％(計算值)。將疏松的泡沫結構從干燥器移出并在聚乙烯袋中包裝。干燥泡沫最終的水分含量和水活性在使用烘箱干燥24小時后(樣品達到平衡)利用Aqua實驗室水活性儀(型號系列3，DecagonDeviceInc.，Washington，USA)測量。實施例7通過混合藻酸鈉2％，高甲氧基果膠3％，角叉菜膠2％，甲基纖維素1％，木薯淀粉2％，甘油0.5％，椰子油2％和蜂蠟2％(都是w/w)制備水凝膠。用于制備水狀膠體溶液的水的量計算為90％(w/w)，不考慮加入的椰子油、蜂蠟和甘油。首先將稱重的蜂蠟熔化，將椰子油和甘油加入到熱的熔融蜂蠟中，然后加入計算量的藻酸鈉、果膠、角叉菜膠、甲基纖維素、木薯淀粉和水。將等量的均勻水狀膠體溶液倒入小塑料杯(底部內徑43mm，上部內徑56mm，高25mm)中。將這些杯子在-80℃的冷凍庫(FormaTMBioFreezer，FormaScientific)中快速冷凍并將這些溶液模塑。將冷凍的模具從杯中分離并在室溫下將膠狀物浸入1.5％的氯化鈣溶液中24小時以制備凝膠。在凝膠制備中涉及的機理是氯化鈣和藻酸鈉之間的交聯。這使得凝膠形狀穩(wěn)定并產生了柔軟的固體結構。所用的氯化鈣溶液的量為足以將所有的冷凍膠狀物浸沒。在浸沒期間，冷凍的模具融化，同時發(fā)生交聯。測定初始和最終的水分含量(烘箱法)和楊氏模量(TextureAnalyzer，TA-XT2model，StableMicroSystem，USA)。使用實驗室真空微波干燥器進行干燥。在干燥期間絕對壓強維持在25mmHg，使用的微波功率為600-700瓦。干燥過程一直持續(xù)到產品的濕基水分含量達到10-15％(計算值)。將疏松的泡沫結構從干燥器移出并在聚乙烯袋中包裝。在干燥24小時后(使用烘箱法使樣品達到平衡)使用Aqua實驗室水活性儀(型號系列3，DecagonDeviceInc.，Washington，USA)測量干燥泡沫最終的水分含量和水活性。實施例8與實施例7中一樣制備藻酸鈉凝膠，唯一的變化是合并入碳酸氫鈉和檸檬酸。使用鹽和酸的結合是為了改變孔徑特征。將碳酸氫鈉(1％)與其它成分一起混合。在達到均勻的混合物后加入1％檸檬酸，再一次使用手動攪拌器混合成均相。這一次，由于在鹽和酸之間發(fā)生了酸發(fā)泡，整個混合物的體積增加了。鹽和酸的百分數在計算水的百分數時沒有包括在總的固體中。將大約等量的均勻水狀膠體溶液倒入小塑料杯(底部內徑43mm，上部內徑56mm，高25mm)中。將這些杯子在-80℃的冷凍庫(FormaTMBioFreezer，FormaScientific)中快速冷凍并將這些溶液模塑。將冷凍的模具從杯中分離并在室溫下將膠狀物浸入1.5％的氯化鈣溶液中24小時以制備凝膠。在凝膠制備中涉及的機理是氯化鈣和藻酸鈉之間的交聯。這使得凝膠形狀穩(wěn)定并產生了柔軟的固體結構。所用的氯化鈣溶液的量為足以將所有的冷凍膠狀物浸沒。在浸沒期間，冷凍的模具融化，同時發(fā)生交聯。測定初始和最終的水分含量(烘箱法)和楊氏模量(TextureAnalyzer，TA-XT2model，StableMicroSystem，USA)。使用實驗室真空微波干燥器進行干燥。在干燥期間絕對壓強維持在25mmHg，使用的微波功率為600-700瓦。干燥過程一直持續(xù)到產品的濕基水分含量達到10-15％(計算值)。將疏松的泡沫結構從干燥器移出并在聚乙烯袋中包裝。干燥泡沫最終的水分含量和水活性在干燥24小時后(使用烘箱法使樣品達到平衡)使用Aqua實驗室水活性儀(型號系列3，DecagonDeviceInc.，Washington，USA)測量。實施例9與實施例8中一樣制備藻酸鈉凝膠，唯一的不同是加入檸檬酸時間的變化。檸檬酸更遲加入，在凝膠化過程中隨制造凝膠的氯化鈣處理一起加入。因此，凝膠化和酸發(fā)泡同時發(fā)生。使用手動攪拌器將所有的成分混合以達到均勻的溶液。將大約等量的均勻水狀膠體溶液倒入小塑料杯(底部內徑43mm，上部內徑56mm，高25mm)中。將這些杯子在-80℃的冷凍庫(FormaTMBioFreezer，FormaScientific)中快速冷凍并將這些溶液模塑。將冷凍的模具從杯中分離并在室溫下將膠狀物浸入1％的檸檬酸和1.5％的氯化鈣溶液中24小時以制備凝膠。在凝膠制備中涉及的機理是氯化鈣和藻酸鈉之間的交聯和由于碳酸氫鈉和檸檬酸之間的反應而產生的氣體發(fā)泡。測定初始的水分含量(烘箱法)和楊氏模量(TextureAnalyzer，TA-XT2model，StableMicroSystem，USA)。使用實驗室真空微波干燥器進行干燥。在干燥期間絕對壓強維持在25mmHg，使用的微波功率為600-700瓦。干燥過程一直持續(xù)到產品的濕基水分含量達到10-15％(計算值)。將疏松的泡沫結構從干燥器移出并在聚乙烯袋中包裝。干燥泡沫最終的水分含量和水活性在干燥24小時后(使用烘箱法使樣品達到平衡)使用Aqua實驗室水活性儀(型號系列3，DecagonDeviceInc.，Washington，USA)測量。實施例10與實施例8中一樣制備藻酸鈉凝膠，唯一的不同是加入檸檬酸時間的變化。檸檬酸更遲加入，它在使用氯化鈣處理制得水凝膠之后加入。使用手動攪拌器將所有的成分混合以達到均勻的溶液。將大約等量的均勻水狀膠體溶液倒入小塑料杯(底部內徑43mm，上部內徑56mm，高25mm)中。將這些杯子在-80℃的冷凍庫(FormaTMBioFreezer，FormaScientific)中快速冷凍并將這些溶液模塑。將冷凍的模具從杯中分離并在室溫下將膠狀物浸入1.5％的氯化鈣溶液中24小時以制備凝膠。在凝膠制備中涉及的機理是氯化鈣和藻酸鈉之間的交聯。在這一處理之后將濕的水凝膠浸入1％的檸檬酸溶液中。溶液的量維持在足以將所有的水凝膠浸沒。期望碳酸氫鈉溶液浸析所形成的空間被檸檬酸填充，以改變水凝膠的強度。之后測定初始的水分含量(烘箱法)和楊氏模量(TextureAnalyzer，TA-XT2model，StableMicroSystem，USA)。使用實驗室真空微波干燥器進行干燥。在干燥期間絕對壓強維持在25mmHg，使用的微波功率為600-700瓦。干燥過程一直持續(xù)到產品的濕基水分含量達到10-15％(計算值)。將疏松的泡沫結構從干燥器移出并在聚乙烯袋中包裝。干燥泡沫最終的水分含量和水活性在干燥24小時后(樣品達到平衡)使用烘箱法和Aqua實驗室水活性儀(型號系列3，DecagonDeviceInc.，Washington，USA)測量。實施例11與實施例7中一樣制備藻酸鈉凝膠，唯一的不同是加入玉米淀粉代替木薯淀粉。使用手動攪拌器將所有的成分混合以達到均勻的溶液。將大約等量的均勻水狀膠體溶液倒入小塑料杯(底部內徑43mm，上部內徑56mm，高25mm)中。將這些杯子在-80℃的冷凍庫(FormaTMBioFreezer，FormaScientific)中快速冷凍并將這些溶液模塑。將冷凍的模具從杯中分離并在室溫下將膠狀物浸入1.5％的氯化鈣溶液中24小時以制備凝膠。在凝膠制備中涉及的機理是氯化鈣和藻酸鈉之間的交聯。這使得凝膠形狀穩(wěn)定并產生了柔軟的固體結構。所用的氯化鈣溶液的量為足以將所有的冷凍膠狀物浸沒。在浸沒期間，冷凍的模具融化，同時發(fā)生交聯。測定初始的水分含量(烘箱法)和楊氏模量(TextureAnalyzer，TA-XT2model，StableMicroSystem，USA)。使用實驗室真空微波干燥器進行干燥。在干燥期間絕對壓強維持在25mmHg，使用的微波功率為600-700瓦。干燥過程一直持續(xù)到產品的濕基水分含量達到10-15％(計算值)。將疏松的泡沫結構從干燥器移出并在聚乙烯袋中包裝。干燥泡沫最終的水分含量和水活性在干燥24小時后(使用烘箱法使樣品達到平衡)使用Aqua實驗室水活性儀(型號系列3，DecagonDeviceInc.，Washington，USA)測量。實施例12將明膠10％，低甲氧基果膠5％，玉米淀粉10％和甘油1％與75％的水混合。計算水的百分數時不考慮甘油的量。為了達到均勻的混合，同時使用沸水浴和用手動攪拌器混合。在混合過程中將溶液的溫度維持在70-80℃。制備均勻溶液之后，將它倒入小塑料杯(底部內徑43mm，上部內徑56mm，高25mm)中，每個杯中大約等量。將這些杯子置于10℃的冷房中以獲得堅硬的凝膠結構。在形成硬凝膠之后將它們在-80℃的冷凍室(FormaTMBioFreezer，FormaScientific)中在干燥之前快速冷凍。在冷凍樣品之前先測定初始的水分含量(烘箱法)和楊氏模量(TextureAnalyzer，TA-XT2model，StableMicroSystem，USA)。使用實驗室真空微波干燥器進行干燥。在干燥期間絕對壓強維持在25mmHg，使用的微波功率為600-700瓦。干燥過程一直持續(xù)到產品的濕基水分含量達到10-15％(計算值)。將疏松的泡沫結構從干燥器移出并在聚乙烯袋中包裝。干燥泡沫最終的水分含量和水活性在干燥24小時后(使用烘箱法使樣品達到平衡)使用Aqua實驗室水活性儀(型號系列3，DecagonDeviceInc.，Washington，USA)測量。實施例13如實施例12中一樣制備水凝膠，不同的是在冷房處理步驟之后，將凝膠在-80℃的冷凍室(FormaTMBioFreezer，FormaScientific)中冷凍以達到快速冷凍。在這之后，將冷凍的模具浸入1.5％的氯化鈣溶液中24小時以產生更大的凝膠強度。這一步驟之后，測定初始的水分含量(烘箱法)和楊氏模量(TextureAnalyzer，TA-XT2model，StableMicroSystem，USA)。再一次將形成的水凝膠在干燥之前快速冷凍。使用實驗室真空微波干燥器進行干燥。在干燥期間絕對壓強維持在25mmHg，使用的微波功率為600-700瓦。干燥過程一直持續(xù)到產品的濕基水分含量達到10-15％(計算值)。將疏松的泡沫結構從干燥器移出并在聚乙烯袋中包裝。干燥泡沫最終的水分含量和水活性在干燥24小時后(使用烘箱法使樣品達到平衡)使用Aqua實驗室水活性儀(型號系列3，DecagonDeviceInc.，Washington，USA)測量。實施例14將藻酸鈉2％，果膠(HM)3％，角叉菜膠2％，玉米淀粉2％，甲基纖維素1％和甘油1％與椰子油10％(不計算在總的固體含量內)混合，然后使用手動攪拌器將此混合物與90％水結合以達成均相。將大約等量的均勻水狀膠體溶液倒入小塑料杯(底部內徑43mm，上部內徑56mm，高25mm)中。將這些杯子在-80℃的冷凍庫(FormaTMBioFreezer，FormaScientific)中快速冷凍并將這些溶液模塑。將冷凍的模具從杯中分離并在室溫下將膠狀物浸入1.5％的氯化鈣溶液中24小時以制備凝膠。在凝膠制備中涉及的機理是氯化鈣和藻酸鈉之間的交聯。這使得凝膠形狀穩(wěn)定并產生了柔軟的固體結構。所用的氯化鈣溶液的量為足以將所有的冷凍膠狀物浸沒。在浸沒期間，冷凍的模具融化，同時發(fā)生交聯。在此步驟之后，測定初始的水分含量(烘箱法)和楊氏模量(TextureAnalyzer，TA-XT2model，StableMicroSystem，USA)。使用實驗室真空微波干燥器進行干燥。在干燥期間絕對壓強維持在25mmHg，使用的微波功率為600-700瓦。干燥過程一直持續(xù)到產品的濕基水分含量達到10-15％(計算值)。將疏松的泡沫結構從干燥器移出并在聚乙烯袋中包裝。干燥泡沫最終的水分含量和水活性在干燥24小時后(樣品達到平衡)使用烘箱法和Aqua實驗室水活性儀(型號系列3，DecagonDeviceInc.，Washington，USA)測量。實施例15將藻酸鈉1.5％，果膠(HM)3％，角叉菜膠2％，甲基纖維素1％和甘油0.5％與92％的水混合(在計算總的水百分數時甘油的量計算在內)。混合之后，將該溶液倒入可以分成兩半的圓柱形管中。管的兩半用布帶粘貼在一起，以避免當溶液通過緊緊地塞住一端(所謂的底端)而在里面時滲漏。填充此管之后使用適合的蓋子將頂端封閉。將填充管保持在-80℃的冷凍室中冷凍該溶液。冷凍之后，通過除去塞子、蓋子和密封帶而將管分成兩部分。接著將此圓柱形冷凍溶液浸入1.5％的氯化鈣溶液中以進行融化和因藻酸鈉和氯化鈣之間交聯而產生的凝膠化作用。水凝膠制成之后，將它切割成高1-1.5cm的小圓柱塊。在此步驟之后，測定初始的水分含量(烘箱法)和楊氏模量(TextureAnalyzer，TA-XT2model，StableMicroSystem，USA)。將這些小塊在干燥之前冷凍。使用實驗室真空微波干燥器進行干燥。在干燥期間絕對壓強維持在25mmHg，使用的微波功率為600-700瓦。干燥過程一直持續(xù)到產品的濕基水分含量達到10-15％(計算值)。將疏松的泡沫結構從干燥器移出并在聚乙烯袋中包裝。干燥泡沫最終的水分含量和水活性在干燥24小時后(使用烘箱法，樣品達到平衡)使用Aqua實驗室水活性儀(型號系列3，DecagonDeviceInc.，Washington，USA)測量。實施例16將藻酸鈉3％，果膠(HM)1.5％，玉米淀粉10％，甲基纖維素2％和甘油0.5％與83％的水混合(在計算總的水百分數時甘油的量計算在內)?；旌现螅瑢⒃撊芤旱谷肟梢苑殖蓛砂氲膱A柱形管中。該圓柱管用布帶粘貼，以避免當溶液通過緊緊地塞住一端(所謂的底端)而在里面時滲漏。填充此管之后使用適合的蓋子將頂端封閉。將填充管保持在-80℃的冷凍室中冷凍該溶液。冷凍之后，通過除去塞子、蓋子和密封帶而將管分成兩部分。接著將此圓柱形冷凍溶液浸入1.5％的氯化鈣溶液中以進行融化和因藻酸鈉和氯化鈣之間交聯而產生的凝膠化作用。水凝膠制成之后，將它切割成高1-1.5cm的小圓柱塊。測定初始的水分含量(烘箱法)和楊氏模量(TextureAnalyzer，TA-XT2model，StableMicroSystem，USA)。將這些小塊在干燥之前冷凍。使用實驗室真空微波干燥器進行干燥。在干燥期間絕對壓強維持在25mmHg，使用的微波功率為600-700瓦。干燥過程一直持續(xù)到產品的濕基水分含量達到10-15％(計算值)。將疏松的泡沫結構從干燥器移出并在聚乙烯袋中包裝。干燥泡沫最終的水分含量和水活性在干燥24小時后(使用烘箱法，樣品達到平衡)使用Aqua實驗室水活性儀(型號系列3，DecagonDeviceInc.，Washington，USA)測量。實施例17在泡沫中孔尺寸的操控在本實施例中進行了不同干燥水凝膠的孔尺寸分析。在本實施例中后面要討論的附圖(圖2到圖9)顯示了具有不同初始楊氏模量的不同水凝膠的孔尺寸分布。使用水銀孔篩選器(Poresizer9320，MicromeriticsInstrumentCorporation，GA，USA)查明現各種用真空微波干燥器開發(fā)的水狀膠體海綿的孔尺寸、孔尺寸分布和孔體積。該儀器可以在低壓1psia到高壓最大30,000psia下操作分析不同尺寸的孔。該儀器在高壓下能夠測量非常小的孔，低限為1.8nm。在x-y軸上可以畫出水銀侵入和擠出體積對孔半徑或壓力的連續(xù)曲線。為了分析水狀膠體海綿，將約0.5g切割樣品放置在硬度計(penetrometer)中。在使用樣品做孔尺寸分析之前，將它們在硅膠干燥器中儲存干燥。在將樣品置入硬度計球莖內后，將孔徑儀(poresizer)低壓運轉艙的虛擬棒移開，在那里緩慢插入硬度計莖干并適當地固定。然后，在真空約50毫米汞柱(mmHg)下逐步排氣，除去樣品上吸附的氣體。然后將還處于真空下帶有樣品的硬度計通過逐漸增加硬度計內部的壓力而用水銀填充。初始填充的水銀一直到22-25psia都載在低壓運轉艙。每一次水銀填充讀數都記錄在裝有孔尺寸分析軟件的計算機上。在25psia壓力之后，水銀填充停止，并將儀器恢復到約14.2-15.2psia的大氣壓。之后將樣品隨同水銀填充的硬度計小心地從低壓運轉艙移出，擦去粘附在硬度計莖干上的水銀，測量帶有樣品和水銀的硬度計的重量，然后用于高壓下運轉。通過打開排氣閥，將葉臂(leaverarm)擠出并用足夠的水壓液體填充來開啟高壓運轉艙。之后，將硬度計以這樣的方式在艙內固定，即使得硬度計的球莖接觸高壓運轉艙的底部，將莖干固定在葉臂中，然后將它緩慢地穿出以避免氣泡，并緊緊地固定。之后將頂蓋上部的排氣閥關閉。排氣閥關閉后，一小部分水壓液體上升到排氣閥中，需要注意除去在這一上升的液體中存在的所有氣泡。然后使用自動控制模式將儀器在高壓下運轉。為了增加壓力，使用壓縮空氣源。壓力逐漸從25psia增加到30,000psia。在這一運轉過程中，通過增加壓力，硬度計中的水銀被壓進了樣品中存在的孔中。隨著硬度計中壓力的增加，水銀被壓入樣品的孔中，同時硬度計莖干中的水銀面降低。莖干中水銀面的降低(擠入了孔)被自動記錄為體積變化作為壓力的函數。通過使用Washburn方程(方程1)將壓力轉化成孔徑來計算孔尺寸分布。達到最大壓力后，通過減壓自動地將水銀從孔空間中擠出。儀器達到大氣壓后小心地將硬度計從高壓運轉移出并清洗。數據用于結果分析。D＝-4*γ(cosθ)/P等式1其中，D(mm)是孔尺寸的直徑，γ是所使用液體的表面張力(水銀，通常是480達因.cm-2)，θ是所使用液體的接觸角(水銀，通常140度角)，P(psia)是所使用的壓力。圖2到圖9所示的是在不同條件下形成的且具有不同平均初始楊氏模量測量值的泡沫的孔喉尺寸直方圖。清楚地，通過改變泡沫形成條件可以操控孔尺寸。圖2顯示了平均初始楊氏模量為0.16kPa的泡沫的孔喉尺寸分布。孔尺寸范圍在100-500微米的百分數為約19％，泡沫在孔尺寸范圍在20-50微米內具有更大的孔百分數(28％)。從此可以看出不同孔尺寸的百分數從0.2微米到20微米逐漸增加。圖3顯示了平均初始楊氏模量為6.1kPa的泡沫的孔喉尺寸分布。這一直方圖闡明了在孔尺寸范圍在100-500微米的更大的百分數(約50％)，而50-100微米范圍的僅為約20％。初始楊氏模量的增加提高了大孔區(qū)域孔尺寸的百分數。圖4顯示了平均初始楊氏模量為16.3kPa的泡沫的孔喉尺寸分布。這一直方圖顯示這一范圍的初始楊氏模量與在6.1kPa(圖3)觀察到的沒有顯著的不同?？梢钥闯鏊纬傻臈钍夏Ａ繛?.1到16.3kPa的泡沫在REV過程中產生類似的孔成型尺寸。圖5顯示了平均初始楊氏模量為27.1kPa的泡沫的孔喉尺寸分布。這一直方圖顯示約55％的孔在100-500微米范圍內。它顯示可以通過增加初始模量來達到大孔區(qū)域孔百分數的增加。此外，在尺寸范圍50-100和20-50微米發(fā)現了相近的孔百分數。這證實了可以使用更高的模量來達到更高的大孔百分數。圖6顯示了平均初始楊氏模量為274.4kPa的泡沫的孔喉尺寸分布。這一直方圖顯示在平均初始楊氏模量為274.4kPa時約71％的孔在100-500微米范圍內。此外，還發(fā)現約10％的孔在50-100微米范圍內。再一次證明，模量的增加提高了大孔區(qū)域孔的百分數。圖7顯示了平均初始楊氏模量為732.5kPa的泡沫的孔喉尺寸分布。這一直方圖顯示在100-500微米范圍內的孔的百分數(55％)隨模量值的增加反而降低了。同樣在孔尺寸范圍在50-100和20-50內的孔分布與在模量27.1kPa(圖5)下的孔分布類似?？雌饋項钍夏Ａ吭谶@個值時孔尺寸范圍在100-500微米內的大孔百分數有增加的趨勢。超過這一模量值就觀察到降低的模式。圖8顯示了平均初始楊氏模量為1175kPa的泡沫的孔喉尺寸分布。這一直方圖說明，在此模量值時，在100-500微米范圍內觀察到與在732.5kPa(圖7)是相同的百分數。不過50-100和20-50微米的百分數比在楊氏模量為732.5kPa時觀察到的要少。圖9顯示了平均初始楊氏模量為3000kPa的泡沫的孔喉尺寸分布。從這一數據中清楚地看出楊氏模量的極度增加導致大尺寸孔百分數的降低。它顯示約32％的孔在100-500微米范圍內，但是在50-100(23％)和20-50(26％)微米的百分數比在其他更低模量值時看到的都大。實施例18干燥水凝膠的機械性質初始楊氏模量干燥水凝膠的機械性質可以通過改變所使用材料的初始楊氏模量來操控。在這一實施例中，圖10到圖17顯示了在約0.45-0.55水活性范圍內不同干燥蜂窩狀固體的應力應變分布?；谒鼈兊某跏紬钍夏Ａ繉λ鼈冞M行表征。在約5％(w.b)的水分含量下，不干擾孔很難切割干燥蜂窩狀固體。因此在60-70％相對濕度環(huán)境平衡干燥固體以增加水活性。然后將固體切割成統一尺寸和形狀。對于切割樣品，通過平衡將水活性調節(jié)至45-55％，使用TextureAnalyzer(TA-XT2model，StableMicroSystem，USA)通過采用不穩(wěn)定的壓縮力到70-80％形變來測量壓縮特性。應變率固定在1mm每秒或相當量。收集所施加壓力、距離和時間的數據點，并分析真實的應力和應變關系。由于認為壓縮的蜂窩狀固體交叉區(qū)域面積極少膨脹，所以在真實的應力計算時，固體的交叉區(qū)域面積在所有的點都認為是相等的。蜂窩狀固體的真實應變在Hanky′s應變計算。圖10，圖11和圖12顯示彈性體海綿的應力-應變曲線。圖10顯示平均初始楊氏模量為0.16kPa的干燥蜂窩狀固體的應力-應變關系。圖11顯示平均初始楊氏模量為6.1kPa的干燥蜂窩狀固體的應力-應變關系。圖12顯示平均初始楊氏模量為16.3kPa的干燥蜂窩狀固體的應力-應變關系。每一個曲線都具有初始彈性區(qū)域，之后圖示的就是較短的蜂窩壁塌陷區(qū)域。曲線進一步向下顯示致密化區(qū)域。仔細觀察這些圖形就可以看出，最小的初始模量(圖10)一直到應力水平1000Pa都顯示彈性區(qū)域。然而，6.1kPa初始模量(圖11)一直到25000Pa，16.3kPa的曲線(圖12)一直到50000Pa。很清楚初始楊氏模量的增加也影響干燥固體的機械性質。圖13顯示平均初始楊氏模量為27.1kPa的干燥蜂窩狀固體的應力-應變關系。這些數據顯示塑性泡沫的壓縮曲線，在線性彈性區(qū)域之后出現彈性屈服，然后是致密化區(qū)域。然而初始模量的增加增加了線性彈性區(qū)域的應力一直到9000Pa。圖14顯示平均初始楊氏模量為274.4kPa的干燥蜂窩狀固體的應力-應變關系。顯示的樣品在初始線性彈性區(qū)域的表現像脆性泡沫，接著壓碎，然后致密化。這也表現出線性彈性區(qū)域應力的增加一直到15000Pa。圖15顯示平均初始楊氏模量為732.5kPa的干燥蜂窩狀固體的應力-應變關系。圖16顯示平均初始楊氏模量為1173.5kPa的干燥蜂窩狀固體的應力-應變關系。這些數據闡明了干燥固體的機械性質。在這兩種情況中，固體都在被測試水活性下表現得像脆性泡沫。然而，在初始線性彈性區(qū)域的應力相對于具有初始模量為274.4kPa(圖14)的樣品降低了。當我們將這與孔尺寸分布性質結合時，732.5和1173.5kPa的樣品與274.4kPa的樣品相比，尺寸在100-500微米范圍內的孔的百分數更小。同樣，它們具有相似的孔尺寸分布模式。同樣地它們在應力為5000Pa的初始線性彈性區(qū)域內具有相似的應力-應變關系。圖17顯示平均初始楊氏模量為3000kPa的干燥蜂窩狀固體的應力-應變關系。這闡明了脆性泡沫類關系。在線性彈性區(qū)域的應力與其他干燥蜂窩狀固體相比非常的高。它顯示了幾乎為20,000Pa的應力，并提供了更大的硬度。一般而言，側翼長度(shoulderlength)(在線性彈性區(qū)域的應力)越高，干燥蜂窩狀固體的機械強度就越高。即使在圖15和圖16中給出的樣品的初始楊氏模量不同，側翼長度較低的原因也可能是由于水凝膠的加工方法。干燥固體楊氏模量的降低與水活性的增加有關。因此，取決于所希望的應用(需要硬質泡沫還是柔軟的海綿)，我們可以使用改變水活性來操控這一特征。圖18到圖22提供了的掃描電鏡圖顯示在這一實施例中使用的固體在暴露在真空下的輻射能后的蜂窩狀結構，其初始楊氏模量值分別為6.1，16.3，27.1，732.5和1173.5kPa。這些圖顯示了具有不同初始楊氏模量的不同干燥蜂窩狀固體的內部孔結構，這些固體由于使用不同生物材料的結合以及制備濕水凝膠的不同加工方法而獲得?？捉Y構和孔壁強度的變化是由于樣品初始模量的變化。這些數據用于闡明在泡沫中的孔尺寸分布可以通過改變起始材料的平均初始楊氏模量值來操控。因此，使用者根據本發(fā)明的方法可以獲得所需應用的最佳的孔結構。對比實施例1使用常規(guī)方法干燥海綿為了進一步闡明本發(fā)明的相對容易和其他的優(yōu)點，下面的實施例闡明的是使用現有技術的方法例如空氣干燥、真空干燥和冷凍干燥形成的海綿的應力-應變關系曲線和SEM圖。圖23到圖26顯示了由刺槐豆膠得到的海綿的應力應變關系，干燥使用四種不同的干燥方法，其中三種是現有技術空氣干燥(現有技術)，真空干燥(現有技術)，冷凍干燥(現有技術)，以及根據本發(fā)明在真空下用輻射能干燥?？諝飧稍铩⒗鋬龈稍锖驼婵崭稍锏暮＞d當與用REV干燥制備的海綿相比硬度較低。即使冷凍干燥和REV干燥的海綿具有相似的質量，REV海綿的機械強度更大。這些海綿的SEM分析同樣提供了孔及其排布的清晰照片。圖27到圖30顯示了使用四種不同的干燥方法干燥的海綿的SEM圖，即空氣干燥、真空干燥、冷凍干燥以及根據本發(fā)明在真空下用輻射能干燥。圖24顯示了真空干燥海綿的應力應變關系。該曲線顯示海綿表現得像彈性體海綿。同樣該曲線顯示真空干燥的海綿具有更多的閉孔而非開孔。這也可以在圖28中看出來，該圖顯示在真空干燥樣品中存在的孔的SEM圖。發(fā)現應力的初始增加較為緩慢，但是在特定的應變之后，應力急劇增加。壓縮應變可以促進閉合蜂窩內空氣和蒸汽壓力的累積。在更高的壓力下，蜂窩壁破裂并塌陷。在這一階段之后，壓縮應力迅速增加，這是因為所有的蜂窩都已經塌陷，留下大塊固體而不是閉孔固體。所獲得的空氣干燥海綿的應力應變曲線(圖23)顯示，這一類海綿行為表現得像彈性體海綿。當然，線性彈性只限于較小的應變，隨后是較長的平穩(wěn)段。對這一曲線的進一步分析顯示更多的是開孔而不是閉孔。這顯示了長的平穩(wěn)段，其中閉孔顯示在塌陷的區(qū)域隨著增加應變，應力就會急劇增加。圖27顯示了在空氣干燥樣品中孔的SEM圖。孔是相互連接且是開放的。一般來說在空氣干燥的情況中，孔在干燥的后期形成，且孔的相互連接更應該歸因于在較高溫度下的結構塌陷，而不是制備該海綿所使用材料的玻璃化轉變溫度。冷凍干燥的海綿也表現得像彈性體海綿(圖25)。冷凍干燥海綿的曲線比空氣干燥海綿顯示出更多的致密化。這可能是由于在空氣干燥固體中的開孔轉變成了閉孔，所以由于更高的孔壁強度在孔內的空氣和水蒸汽壓阻擋了完全的致密化作用，所以比冷凍干燥的樣品看起來致密化更少。在冷凍干燥樣品的SEM圖(圖29)中可以看到孔的結構塌陷。這也說明了冷凍干燥的孔與其它干燥方法得到的孔相比非常小。結構塌陷可能是由于干燥溫度的不同。對于空氣干燥來說，使用高的干燥溫度，導致聚合物基體轉變成硬橡膠態(tài)。然而，這類轉變在冷凍干燥中就看不到，因為它使用低的干燥溫度。REV干燥的海綿同樣也表現得像彈性體海綿(圖26)。在致密化區(qū)域開孔變?yōu)殚]合，所以過了平穩(wěn)態(tài)區(qū)域后不存在應力的急劇增加。然而，在REV干燥的泡沫中應力值卻比空氣干燥或冷凍干燥泡沫的大。圖30顯示了在REV干燥海綿中存在的孔的SEM圖。它也表現出有相互連接的孔結構。這一比較實施例顯示，根據本發(fā)明實施方案形成的海綿與那些使用常規(guī)方法形成的海綿相比具有同樣令人滿意或者更加滿意的機械性質。上面描述的本發(fā)明的實施方案僅僅是作為實施例。本領域熟練技術人員在不偏離通過附加的權利要求所限定的本發(fā)明的范圍下可以對這些特定的實施方案進行改變、修改和變化。參考文獻EichlerS，O.Pamon，I.Ladyzhinski，Y.CohenandS.Mizrahi.1997.FoodresearchInternational.30719-726.KietzkeT，NeherD，LandfesterK，MontenegroR，GuntnerR，ScherfU.2003.NaturalMaterials，2408-412.KimHO，DuranceTD，SeamanCH，KittsDD.2000.J.ofAgric.andFoodChemistry484182-4186.LinTM，DuranceTD，SeamanCH.1998.FoodResearchInternationalVol.31(2)111-117.MansonKH，WyandMS，MillerCandNeurathAR.2000.AntimicrobialAgentsandChemotherapy.Vol44(11)3199-3202.NeurathAR，StrickNandLiYY.2002.BMCInfectDis.227.NeurathAR，StrickN，andLiYY.2003.BMCInfectDis.327.Rassis.D，A.NussinovitchandI.S.Saguy.1997.InternationalJournalofFoodScienceandTechnology.32271-278.NussinovitchA，Z.GershonandL.Peleg.1998.FoodHydrocolloids.12105-110.Rassis.D，I.S.SaguyandA.Nussinovitch.1998.JournalofAgricultureandFoodChemistry.462981-2987.YousifAN，DuranceTD，ScamanCH，GirardB.2000.J.ofFoodScienceVol65(6)926-930.權利要求1.一種水狀膠體泡沫的制備方法，包括如下步驟將水狀膠體聚合材料結合到水性溶劑中以形成凝膠；將該凝膠在真空下暴露在輻射能中，使溶劑從凝膠中沸騰，從而形成泡沫。2.權利要求1的方法，其中水狀膠體聚合材料選自于鄰苯二甲酸纖維素乙酸酯(CAP)、羧甲基纖維素、果膠、藻酸鈉、甘油、羥丙基甲基纖維素(HPMC)、甲基纖維素、角叉菜膠、阿拉伯樹膠、黃原膠、刺槐豆膠、分離大豆蛋白、殼聚糖、麥芽糖糊精、膠原、藻酸鹽、聚乙二醇酸，淀粉、明膠以及它們的組合。3.權利要求1或2的方法，其中溶劑是蒸餾水。4.權利要求1的方法，其中水性溶劑另外包含選自于椰子油、玉米油、花生油、氫化植物油、橄欖油、礦物油及其組合的添加劑。5.權利要求1-4中任一項的方法，其中往水性溶劑中加入表面活性劑。6.權利要求5的方法，其中表面活性劑選自于甘油、丙二醇、卵磷脂、Tween-80、Tween-20、蠟及其組合。7.權利要求1-6中任一項的方法，另外包括將凝膠切割成所希望的形狀的步驟。8.權利要求1-7中任一項的方法，另外包含將凝膠冷凍的步驟。9.根據權利要求1-8中任一項的方法，其中真空下的輻射能在壓力維持在30-760mmHg之間的腔室中提供。10.根據權利要求1-9中任一項的方法，其中真空下的輻射能以150-5000瓦每千克初始凝膠質量的水平提供。11.根據權利要求1-10中任一項的方法，其中使用微波能提供輻射能。12.根據權利要求1-10中任一項的方法，其中采用1厘米到10米范圍內的波長提供輻射能。13.根據權利要求1-11中任一項的方法，其中聚合材料選自于果膠和明膠的混合物；果膠、CAP和甲基纖維素的混合物；果膠和甲基纖維素的混合物；HPMC4000和HPMC400的混合物；刺槐豆膠、果膠、甲基纖維素和木薯淀粉的混合物；藻酸鈉、果膠、角叉菜膠和甲基纖維素的混合物；以及明膠、低甲氧基果膠和玉米淀粉的混合物。14.根據權利要求1-13中任一項的方法，其中在形成凝膠的步驟中加入生物活性成分。15.根據權利要求14的方法，其中生物活性成分包含藥物、殺菌劑、殺真菌劑、維生素、礦物質或殺精子劑。16.根據權利要求1-15中任一項的方法，其中當聚合材料與水性溶劑結合時產生的楊氏模量值為從0.16kPa到3000kPa。17.根據權利要求1-15中任一項的方法，其中采用真空下的輻射能使得泡沫的平均孔尺寸在0.003-500微米范圍內。18.根據權利要求1-15中任一項的方法，其中采用真空下的輻射能使得泡沫的水活性小于0.85。19.在上文中描述和要求保護的方法。全文摘要本發(fā)明描述了由水狀膠體制備泡沫如海綿的方法。通過在水性溶劑中溶解聚合材料來形成固體或半固體凝膠。所形成的凝膠可以固化，之后也可以任選地切割成所希望的形狀。該凝膠可以冷凍以形成冰晶，從而充當成孔劑。隨后，使該凝膠暴露在真空下的輻射能場中干燥。這使得溶劑沸騰，泡沫或海綿就形成了。可以在該過程中引入醫(yī)學活性成份，以使得所形成的海綿或泡沫含有活性成份分散在結構中。所述方法為常規(guī)的顆粒濾除或冷凍干燥方法提供了替代方式。文檔編號F26B5/06GK1993411SQ200580025500公開日2007年7月4日申請日期2005年7月29日優(yōu)先權日2004年7月30日發(fā)明者T·D·杜蘭塞,J·森達拉姆,M·雷辛申請人:不列顛哥倫比亞大學