CN104250861A - 一种制备含蛋白纤维的静电纺丝方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备含蛋白纤维的静电纺丝方法，所述方法将含蛋白的聚合物溶液在交联剂和水的气氛中进行电纺，以实现蛋白类化合物在电纺丝形成的同时进行交联，这样的交联方法可以很好地避免交联反应对电纺丝形貌的影响，解决了现有技术中交联过后电纺丝之间互相溶合而减小材料比表面积的问题。方法简单易操作，适用范围广。可用于蛋白质溶液、蛋白质-非蛋白质聚合物混合液以及掺杂功能材料（如纳米材料）的含蛋白聚合物溶液的静电纺丝。
Description
技术领域
本发明涉及一种静电纺丝方法，具体地涉及一种制作含蛋白纤维的静电纺丝方法。
背景技术
静电纺丝法是一种制备纳米或微米聚合物纤维的方法。该方法得到的纤维膜比表面积大、孔隙率高，在很多领域都具有很好的应用前景。可以进行静电纺丝的聚合物很多，而其中蛋白类的天然聚合物的电纺丝受到组织工程（Colloids and Surfaces B:Biointerfaces79(2010)315325），药物输运（International Journal of Pharmaceutics430(2012)335341）等领域的广泛关注。
但蛋白类聚合物的静电纺丝所存在的重要问题是制备的丝不具有耐水性，因为大部分蛋白都是极易溶于水的。现有技术的解决方法是在电纺丝形成后，将含蛋白质的电纺丝进行交联反应，以防止丝中的蛋白质在水中溶解。例如文献报道的戊二醛水溶液蒸汽交联法（Acta Biomaterialia6(2010)37238），戊二醛甲醇溶液浸泡交联法（Journal of Biomedical Material Research A99（2011）395）等。这些交联方法能够很好地抑制电纺丝中蛋白质在水中的溶解，但同时也导致已经形成纳米丝结构的蛋白质在交联的过程发生丝与丝之间的溶合（melting），从而破坏静电纺丝形成的纳米结构，增大丝的直径，减小材料的比表面积（Colloids and Surfaces B:Biointerfaces79(2010)315325；International Journal of Pharmaceutics430(2012)335341）。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种制备含蛋白纤维的静电纺丝方法，其特征在于：将含蛋白的聚合物溶液在含有交联剂和水的蒸汽的环境中进行电纺；所述交联剂为C2-C10的含有两个醛基的醛类化合物。
采用静电纺丝装置，包括电纺室内、喷丝头；
所述交联剂和水的气氛通过下面两种方式中的任意一种获得：
（1）含蛋白的聚合物溶液经喷丝头带入电纺室内，电纺室内放置交联剂水溶液，交联剂体积浓度为20%-80%；
（2）采用含有两根同轴毛细管的套管式喷丝头，交联剂水溶液经内外层毛细管间的空隙带入电纺室内，含蛋白的聚合物溶液经内层毛细管带入电纺室内；其中交联剂水溶液的体积浓度为5%-20%。
采用在电纺室内放置交联剂水溶液的方式时，静电纺丝过程开始时电纺室内交联剂的蒸汽压大于等于20pa，水的蒸汽压大于等于2400pa。
采用在电纺室内放置交联剂水溶液的方式时，静电纺丝过程开始时电纺室内交联剂的蒸汽压20-30000pa，水的蒸汽压2400-6000pa。
采用套管式喷丝头，外层交联剂水溶液与内层含蛋白聚合物溶液于喷丝头中的流量比在0.5-2之间。
所述含蛋白的聚合物溶液中聚合物成分为蛋白质、或蛋白质与其它非蛋白聚合物的混合物；溶液中蛋白质的质量浓度为0.5%-50%。
所述含蛋白的聚合物溶液中的蛋白质的分子量大于10000；
所述其它非蛋白聚合物为分子量大于5000、能与蛋白质溶于相同溶剂的聚合物；
所述含蛋白的聚合物溶液的溶剂为能溶解蛋白质的一种或二种以上有机或无机溶剂。
含蛋白的聚合物溶液的溶剂为水、酸溶液、碱溶液、乙醇，甲醇，异丙醇，六氟异丙醇中的一种或二种以上；
所述其它非蛋白聚合物为聚苯胺，聚亚胺酯，聚（ε-己内酯），壳聚糖，聚异丙基丙烯酰胺，聚乙醇酸交酯，聚乙二醇，聚苯乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯晴，聚乳酸，聚甲基丙烯酸甲酯；
所述蛋白质为胶原蛋白，丝素蛋白，血清白蛋白，玉米蛋白。
采用在电纺室内放置交联剂水溶液的方式时，也可采用含有两根同轴毛细管的套管式喷丝头，所述含蛋白的聚合物分成二部分溶液引入电纺室内，一部分溶液经内外层毛细管间的空隙带入电纺室内，另一部分溶液经内层毛细管带入电纺室内；
其中一部分溶液可为不含蛋白的、且与蛋白无法溶解于相同溶剂的聚合物溶液。
所述C2-C10的含有两个醛基的醛类化合物为辛二醛，庚二醛，己二醛，戊二醛、乙二醛，丙二醛或丁二醛中的一种或二种以上。
本发明具有如下优点：
1、可以得到耐水性强、比表面积大的含蛋白静电纺丝，避免了交联反应对电纺丝形貌的影响，不会出现交联过后电纺丝之间互相溶合而减小材料比表面积的现象。
2、方法简单易操作，适用范围广。可用于蛋白质溶液、蛋白质-非蛋白质聚合物混合液以及掺杂功能材料（如纳米材料）的含蛋白聚合物溶液的静电纺丝。
附图说明
图1为胶原蛋白-聚苯乙烯核壳结构电纺丝的透射电镜图。
图中：A-1和A-2为未泡水的核壳结构胶原蛋白的电镜图；B-1和B-2为泡水一天的核壳结构胶原蛋白电镜图；其中A-2和B-2为局部放大图。
图2为纯胶原蛋白电纺丝的扫描电镜图。
具体实施方式
实施方式一：
在密闭的电纺室内放置交联剂水溶液，一段时间后，电纺室内形成交联剂和水气氛。当电纺室内交联剂的蒸汽压大于等于20pa，水的蒸汽压大于等于2400pa时，即可开始电纺。
实施方式二：
采用含有两根同轴毛细管的喷丝头，外层与内层管道的空隙毛细管填充交联剂水溶液，内层毛细管填充含蛋白的聚合物溶液。电纺时，调节外层和内层溶液的流量，使交联剂水溶液和含蛋白的聚合物溶液的流量比为0.5-2之间，即可获得稳定的含蛋白电纺丝。
实施例
实施例1：通过在电纺室内放置戊二醛水溶液的方法静电纺丝制作胶原蛋白-聚苯乙烯核壳结构电纺丝
1）聚合物溶液的配置：内层聚合物溶液为终质量浓度5%聚苯乙烯溶于氯仿-六氟异丙醇混合溶液（v:v=7:3）（A溶液），外层聚合物溶液为终质量浓度5%胶原蛋白溶于六氟异丙醇（B溶液）。
2）电纺装置的搭建：电纺喷丝头是一个同轴结构，内外层管道空隙泵入B溶液，内层管道泵入A溶液。在喷丝头正下方平铺一铝箔作为接收极，在接收极和同轴喷丝头之间加入高压。喷丝头和接收极密封在电纺室中，电纺室为有机玻璃室。温度为室温（25℃）。
3）电纺过程：先将戊二醛水溶液（戊二醛体积浓度25%）放置在电纺室中一小时以上。然后将A液以0.5mL/min的速度泵入同轴喷丝头内层，同时将B液以0.2mL/min的速度泵入同轴喷丝头内外层空隙，当流速稳定后，喷丝头与接收极之间加入20000V直流高压。接收极对电纺丝进行收集。
4）电纺丝的后期处理：将电纺丝分成两批，一批直接进行投射电镜测试（结果如图1（A-1）和（A-2）），另一批在水中浸泡一天再进行投射电镜测试（结果如图1（B-1）和（B-2））。
5）分析结果：由图1可以看出，制备的电纺丝没有丝与丝之间的溶合现象，同时在水中又有很好的耐水性，水浸泡后电纺丝的形貌基本没有改变，同时在透射电镜下观察到胶原蛋白的壳层也基本没有改变。说明外层胶原蛋白的交联程度具有很好抗水溶解能力。
实施例2：使用同轴喷丝头泵入交联剂水溶液的方法制作胶原蛋白电纺丝
（1）聚合物溶液的配置：内层聚合物溶液为质量浓度10%胶原蛋白溶于六氟异丙醇（A溶液）。外层交联剂溶液为体积浓度10%戊二醛-水溶液（B溶液）。
（2）电纺装置如实施例1所述。
（3）电纺过程：将A液以0.5mL/min的速度泵入同轴喷丝头内层，当流速稳定后，喷丝头与接收极之间加入10000V直流高压。电压稳定后将B液以（0.25-1.0）mL/min的速度泵入同轴喷丝头内外层空隙，接收极对电纺丝进行收集。
（4）电纺丝膜的表征：将膜进行扫描电镜测试（结果如图2）。
（5）分析结果：由图2可知制备的电纺丝没有丝与丝之间的溶合现象。
实施例3：通过在电纺室内放置丁二醛水溶液的方法制作玉米蛋白电纺丝
（1）聚合物溶液的配置：聚合物溶液为质量浓度20%玉米蛋白溶于体积浓度70%乙酸水溶液中（A溶液）。
（2）电纺装置的搭建：如实施例1所述，其中电纺喷丝头改为单根毛细管（内径0.3mm）。
（3）电纺过程：在电纺室内放置丁二醛水溶液（丁二醛体积浓度50%）30min。将A液以1.0mL/min的速度泵入毛细管内，当流速稳定后喷丝头与接收极之间加入15000V直流高压。接收极对电纺丝进行收集。
实施例4：使用同轴喷丝头泵入交联剂水溶液的方法制作碳纳米管掺杂的胶原蛋白电纺丝
（1）聚合物溶液的配置：内层聚合物溶液为质量浓度20%胶原蛋白溶于体积浓度40%乙酸水溶液中（A溶液）。溶解后在A溶液中加入0.1%质量浓度的十二烷基磺酸钠和2%质量浓度的多壁碳纳米管，通过超声将多壁碳纳米管分散在乙酸水溶液中。外层交联剂溶液为10%戊二醛-水溶液（B溶液）。
（2）电纺装置如实施例1所述。
（3）电纺过程：将A液以0.5mL/min的速度泵入同轴喷丝头内层，当流速稳定后，喷丝头与接收极之间加入10000V直流高压。电压稳定后将B液以（0.25-1.0）mL/min的速度泵入同轴喷丝头内外层空隙，接收极对电纺丝进行收集。
Claims (10)
1.一种制备含蛋白纤维的静电纺丝方法，其特征在于：将含蛋白的聚合物溶液在含有交联剂和水的蒸汽的环境中进行电纺；所述交联剂为C2-C10的含有两个醛基的醛类化合物。
2.按照权利要求1所述方法，其特征在于：采用静电纺丝装置，包括电纺室、喷丝头；
所述交联剂和水的气氛通过下面两种方式中的任意一种获得：
（1）含蛋白的聚合物溶液经喷丝头带入电纺室内，电纺室内放置交联剂水溶液，交联剂体积浓度为20%-80%；
（2）采用含有两根同轴毛细管的套管式喷丝头，交联剂水溶液经内外层毛细管间的空隙带入电纺室内，含蛋白的聚合物溶液经内层毛细管带入电纺室内；其中交联剂水溶液的体积浓度为5%-20%。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于：采用在电纺室内放置交联剂水溶液的方式时，静电纺丝过程开始时电纺室内交联剂的蒸汽压大于等于20pa，水的蒸汽压大于等于2400pa。
4.按照权利要求2或3所述的方法，其特征在于：采用在电纺室内放置交联剂水溶液的方式时，静电纺丝过程开始时电纺室内交联剂的蒸汽压20-30000pa，水的蒸汽压2400-6000pa。
5.按照权利要求2所述的方法，其特征在于：采用套管式喷丝头，外层交联剂水溶液与内层含蛋白聚合物溶液于喷丝头中的流量比在0.5-2之间。
6.按照权利要求1、2或5所述的方法，其特征在于：所述含蛋白的聚合物溶液中聚合物成分为蛋白质、或蛋白质与其它非蛋白聚合物的混合物；溶液中蛋白质的质量浓度为0.5%-50%。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：
所述含蛋白的聚合物溶液中的蛋白质的分子量大于10000；
所述其它非蛋白聚合物为分子量大于5000、能与蛋白质溶于相同溶剂的聚合物；
所述含蛋白的聚合物溶液的溶剂为能溶解蛋白质的一种或二种以上有机或无机溶剂。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：
含蛋白的聚合物溶液的溶剂为水、pH2-9的水溶液、乙醇，甲醇，异丙醇，六氟异丙醇中的一种或二种以上；
所述其它非蛋白聚合物为聚乳酸、聚甲基丙烯酸酯、聚（ε-己内酯）、聚苯胺、聚亚胺酯、壳聚糖、聚异丙基丙烯酰胺、聚乙醇酸交酯、聚乙二醇中的一种或二种以上；
所述蛋白质为胶原蛋白，丝素蛋白，血清白蛋白，玉米蛋白中的一种或二种以上。
9.按照权利要求2所述的方法，其特征在于：采用在电纺室内放置交联剂水溶液的方式时，也可采用含有两根同轴毛细管的套管式喷丝头，所述含蛋白的聚合物分成二部分溶液引入电纺室内，一部分溶液经内外层毛细管间的空隙带入电纺室内，另一部分溶液经内层毛细管带入电纺室内；
其中一部分溶液可为不含蛋白的、且与蛋白无法溶解于相同溶剂的聚合物溶液；
所述不含蛋白的、且与蛋白无法溶解于相同溶剂的聚合物为聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯晴中的一种或二种以上。
10.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述C2-C10的含有两个醛基的醛类化合物为辛二醛，庚二醛，己二醛，戊二醛、乙二醛，丙二醛或丁二醛中的一种或二种以上。
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