阅读说明：本技术 一种几丁质纳米纤维的制备方法和应用 (Preparation method and application of chitin nanofiber ) 是由 李振亚 尹新明 苏丽娟 于 2020-07-21 设计创作，主要内容包括：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。(The invention belongs to the field of new material preparation, and particularly relates to a preparation method and application of chitin nanofiber. Diluting with concentrated acid, adding chitin powder, heating for acidolysis, centrifuging, washing, resuspending, precipitating, and ultrasonic treating to obtain aqueous dispersion of chitin nanofiber, or lyophilizing to obtain solid powder. The chitin material is decomposed into microfibril in acid solution and then is ultrasonically crushed into nanometer fiber. The preparation method is simple, mild, efficient and controllable, reduces the using amount of acid liquor and the energy consumption of preparation, and simultaneously, the nano-fibers are uniform, good in dispersibility and suspension property, higher in charged performance and remarkable in nano-material characteristics. The size of the chitin nanofiber can be controllably adjusted by adjusting the ultrasonic crushing condition; the controllable adjustment of the surface electric quantity of the chitin nano-fiber is realized by adjusting the temperature and the acidolysis ratio.)

一种几丁质纳米纤维的制备方法和应用

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。

但这些方法也显示了诸多不足如制备效率低和制备成本高等，从几丁质原料到制备出纳米粒子往往需要数天时间，同时伴随着大量的材料、试剂和能源消耗，制备工艺复杂，部分体系反应剧烈，不可避免地增加了制备成本。

但适当的超声破碎能够有效减小几丁质纳米颗粒的粒径，其原理在于：几丁质在酸液或氧化液中经过对应的加热或接触氧化剂形成微纤维或者纳米纤维，这些纤维能够通过氢键和疏水作用快速聚集形成几丁质凝胶，在这种纤维形成和聚集形成凝胶的过程中，纤维的分子间氢键被削弱，此时较低的能量输入足以破坏甲壳素分子间作用力。申请人参与了CN105638663A号专利并公开了使用水解法制备纳米几丁质水悬剂应用于小麦蚜虫防治的方法。目前尽管对纳米几丁质的制备方法有很多研究，但在如何改进制备技术及有效提高制备效率上研究较少。

发明内容

本发明提出一种几丁质纳米纤维的制备方法和应用，解决了现有几丁质纤维长度、带电属性不可控不可调的技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种几丁质纳米纤维的制备方法，步骤如下：

（1）配制低浓度无机酸液经水浴或油浴加热后，加入几丁质粉，低速搅拌至充分酸解，得酸解悬液；

（2）将步骤（1）制备的酸解悬液高速离心，取沉淀经水洗后重新分散在水中，得分散液；

（3）将分散液超声破碎，得几丁质纳米纤维水悬液。

所述步骤（1）中无机酸液为硫酸或盐酸，无机酸液的浓度为1-3 mol/L。

所述步骤（1）中加热温度为30-70℃。

所述加热温度为50-70℃。

所述步骤（1）中几丁质粉与无机酸液的比例比为1g：（50-500）mL。

所述步骤（2）中沉淀与水比例为1g：（50-200）mL。

所述步骤（3）中每100g分散液的对应超声破碎的条件为：超声破碎功率为200-400W，超声破碎频率为20-25KHz，超声破碎时间为15-90min，分散液在超声时温度不高于40℃。

上述方法所制备的几丁质纳米纤维，所述几丁质纳米纤维的长度为10-900nm，宽度为5-10nm，带有明显的正电荷性质。

上述的几丁质纳米纤维在制备农业防虫抗病、医药传输及新药载体试剂中的应用。

本申请的制备原理为：通过酸液破坏几丁质主链结构，分解/降解成大小不一的残链微纤维，再经过超声破碎，利用超声波提供的能量解离微纤维结构，破坏中的分子间氢键，最终制备出纳米纤维。整个方法不仅提高了制备效率，降低了能耗和酸液用量。此外由于超声破碎的优势而使得纳米纤维在粒径上具有较高的一致性，由于在酸性环境中几丁质侧链乙酰基的脱离而暴露出大量的铵根，使得纳米纤维具有显著的带电性，从而在物理/化学性能显著提高，生物应用性能得到明显改善，适用于农业防虫抗病，医药传输及新药物载体的应用方面。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明经过简单一步的酸解和超声破碎即可得到粒径均一、分散度好、纳米特性明显、颗粒带电性能良好的几丁质纳米纤维水分散液。

2、本发明制备条件温和，制备温度为60至90℃，对仪器设备耐酸性要求低，降低了制备过程的风险性，提高了操作的可控性。制备工艺简单且效率高，仅需一步酸解过程和一步超声破碎过程，酸解时间为2至4h，超声破碎时间为30至60min，适合大规模制备及生产。

3、本申请制备的几丁质纳米纤维粒径小且均一分散性能良好，颗粒表面电量高，纳米特性显著。且可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。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例2中几丁质纳米纤维的透射电镜图像。

图2为本发明实施例1中几丁质纳米纤维在水分散液中所测得的有效粒径及粒径分布图。

图3为本发明实施例2中几丁质纳米纤维在水分散液中所测得的有效粒径及粒径分布图。

图4为本发明实施例3中几丁质纳米纤维在水分散液中所测得的有效粒径及粒径分布图。

图5为本发明实施例1中几丁质纳米纤维在水分散液中所测得的电动电势机分布图。

图6为本发明实施例2中几丁质纳米纤维在水分散液中所测得的电动电势机分布图。

图7为本发明实施例3中几丁质纳米纤维在水分散液中所测得的电动电势机分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种几丁质纳米纤维的制备方法，其中实验操作需要注意的为：将浓盐酸以水稀释至所需的低浓度，各转移100mL与三口圆底烧瓶中加热至所需温度，再分别称量4组几丁质粉末加入稀释后的酸液并缓慢搅拌。待达到预定的酸解时间后将混合液导入离心瓶中，以冰水浴降温至4℃再进行高速离心，收集沉淀，以水洗涤2次并重悬分散。将重悬分散后的沉淀根据预定的功率和时间超声处理，超声过程中监测分散液温度不高于40℃，即得到几丁质纳米纤维的水分散液，根据测试及需要进行直接使用或冻干获得固体。下面为发明人进行的具体实施例。

实施例1

本发明提供了一种几丁质纳米纤维的制备方法，步骤如下：

（1）配制50mL 1 mol/L的无机酸液经50℃水浴或油浴加热后，加入1g几丁质粉，低速搅拌2h至充分酸解，得酸解悬液；

（2）将步骤（1）制备的酸解悬液高速离心，取沉淀经水洗2次后重新分散在50 mL水中，得分散液；

（3）将分散液超声破碎，每100g分散液的对应超声破碎的条件为：超声破碎功率为200W，超声破碎频率为20KHz，超声破碎时间为30min，分散液在超声时温度保持为0℃，得几丁质纳米纤维水悬液。

图2为实施例1中所得的几丁质纳米纤维在水分散液中所测得的粒径及粒径分布图，从图中可以看出所制备的纳米纤维的长度为55至900nm，其中90%的纤维尺寸在100至500nm范围内，且粒径分布集中，分散性指数为0.246，说明所制备的几丁质纳米纤维分散性和稳定性能较好。

图5为实施例1中所制备的几丁质纳米纤维的电动电势及分布图，从图中可以看出所制备的纳米纤维的电动电势分布集中，其平均电动电势为17.6mV, 表现出几丁质纳米纤维的良好的带电性能。

实施例2

本发明提供了一种几丁质纳米纤维的制备方法，步骤如下：

（1）配制100mL 2 mol/L的无机酸液经60℃水浴或油浴加热后，加入1g几丁质粉，低速搅拌3h至充分酸解，得酸解悬液；

（2）将步骤（1）制备的酸解悬液高速离心，取沉淀经水洗1次后重新分散在100 mL水中，得分散液；

（3）将分散液超声破碎，每100g分散液的对应超声破碎的条件为：超声破碎功率为200W，超声破碎频率为20KHz，超声破碎时间为30min，分散液在超声时温度保持为0℃，得几丁质纳米纤维。

图1为本实施例2中所得的几丁质纳米纤维的透射电镜图像，从图中可得几丁质纳米颗粒呈纤维状，形貌特征较明显，纤维的结构完整，分散性较好，无团聚或聚合现象出现。几丁质纳米纤维的长度主要集中在100至200nm内，宽度集中在5至10nm内，表现出明显的纳米纤维特征。

图3为本实施例2中所得的几丁质纳米纤维在水分散液中所测得的粒径及粒径分布图，从图中可以看出所制备的纳米纤维的长度为45至500nm，其中90%的纤维尺寸在70至300nm范围内，且粒径分布集中，分散性指数为0.216，说明所制备的几丁质纳米纤维分散性和稳定性能较好。

图6为本实施例2中所制备的几丁质纳米纤维的电动电势及分布图，从图中可以看出所制备的纳米纤维的电动电势分布集中，其平均电动电势为51.8mV, 表现出几丁质纳米纤维的良好的带电性能。

实施例3

本发明提供了一种几丁质纳米纤维的制备方法，步骤如下：

（1）配制200mL 3 mol/L的无机酸液经70℃水浴或油浴加热后，加入1g几丁质粉，低速搅拌5h至充分酸解，得酸解悬液；

（2）将步骤（1）制备的酸解悬液高速离心，取沉淀经水洗2次后重新分散在200 mL水中，得分散液；

（3）将分散液超声破碎，每100g分散液的对应超声破碎的条件为：超声破碎功率为400W，超声破碎频率为25KHz，超声破碎时间为40min，分散液在超声时温度保持为0℃，得几丁质纳米纤维水悬液。

图4为本实施例3中所得的几丁质纳米纤维在水分散液中所测得的粒径及粒径分布图，从图中可以看出所制备的纳米纤维的长度为10至50nm，其中95%的纤维尺寸在10至30nm范围内，且粒径分布集中，分散性指数为0.195，说明所制备的几丁质纳米纤维分散性和稳定性能较好。

图7为本实施例3中所制备的几丁质纳米纤维的电动电势及分布图，从图中可以看出所制备的纳米纤维的电动电势分布集中，其平均电动电势为53.5mV，表现出几丁质纳米纤维的良好的带电性能。

实施例4

本发明提供了一种几丁质纳米纤维的制备方法，步骤如下：

（1）配制500mL 2 mol/L的无机酸液经50℃水浴或油浴加热后，加入1g几丁质粉，低速搅拌5h至充分酸解，得酸解悬液；

（2）将步骤（1）制备的酸解悬液高速离心，取沉淀经水洗2次后重新分散在500 mL水中，得分散液；

（3）将分散液超声破碎，每100g分散液的对应超声破碎的条件为：超声破碎功率为400W，超声破碎频率为23KHz，超声破碎时间为30min，分散液在超声时温度保持为0℃，得几丁质纳米水悬液。

实施效果例

表1为实施例1-实施例3所制备的几丁质纤维的特性：

表1 实施例制备参数水平及几丁质纳米纤维特性对比

从本发明的数据分析及表1可以得出增加酸液的浓度与用量，增加超声破碎的功率都能够达到有效减小所制备的纳米几丁质的粒径。

增加酸液浓度与用量能够有效减少粒径，其原因在于对于几丁质微纤维而言，其结构中包含10个及以上的平行束单元并由它们组成几丁质主链。盐酸作为一种稳定的化学试剂能够破坏纳米几丁质的主链结构间的—O—键，尤其在加热条件下，增加酸液比例能够加快键的断裂和平行束单元的剥离，从而减小粒径。

增加超声破碎的功率也能够有效减少粒径，其机理在于：几丁质在酸液中经过加热/接触氧化剂形成微纤维或者纳米纤维，这些纤维能够通过氢键和疏水作用快速聚集形成甲壳素凝胶，其本身是一个十分快速的过程。此外，在这种纤维形成和聚集形成凝胶的过程的同时，纤维的分子间氢键被削弱，此时较低的能量输入足以破坏几丁质分子间作用力。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，且超声功率越大，所提供的能量越大，单位长度上几丁质纤维分子间的解离越多，纳米纤维长度越短，从而有效粒径减小。

此外，所制备的纳米几丁质纤维的带电量与酸液用量成正相关，实施例1、2、3中酸液用量分别为0.05、0.2、0.6 mol，对应的纳米几丁质的平均电动电势分别为17.6mV、51.8mV、53.5mV。由于加热与酸液条件下，使得甲壳素结构脱乙酰基暴露出氨基，在酸性低于其本身pKa的条件下发生质子化继而转化为铵根，在水分散相中表现为带正电荷，并且平均电动电势为纳米几丁质水悬液的重要纳米特性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。