一种可以调控结冰温度的分散体系及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种可以调控结冰温度的分散体系及其制备方法和应用，所述分散体系由表面带电荷的胶体纳米粒子和高分子混合分散于水中获得，所述高分子为具有促进结冰效果的高分子或者具有抗结冰效果的高分子。本发明专利技术获得的体系通过选择胶体种类和高分子的种类以及调控添加比例可以很好的调控体系的结冰温度，并且选用的高分子具有良好的生物相容性，可以使该分散体系应用到活性生物组织贮藏，冷冻食品保存以及工业制冷等领域。

A dispersion system for freezing temperature control and its preparation and Application

The invention relates to a control dispersion system and its preparation method and the application of the freezing temperature, the dispersion by surface charged colloidal nanoparticles and polymer blend dispersed in water, the polymer can promote the effect of freezing or high molecular polymer anti icing effect. The invention obtains the system by selecting the type variety of colloid and polymer and the regulation of temperature control system can add the proportion of ice is very good, and the polymer has good biocompatibility, can make the dispersion system applied to active biological tissue storage, frozen food preservation and industrial refrigeration etc..

【技术实现步骤摘要】
一种可以调控结冰温度的分散体系及其制备方法和应用
本专利技术属于冷冻食品贮存、活性生物组织低温贮藏、低温制冷、蓄冷空调介质等领域，涉及可以调控结冰温度的胶体纳米粒子和高分子的分散体系及其制备方法和应用。
技术介绍
冰晶的形成是自然界中比较普遍的现象，但对于大部分生物体系来说，冰晶的形成和生长都是有害的。随着冰晶的形成和生长会导致细胞水平的机械损伤。同时，细胞外溶质的浓度会随着液体水分子体积分数的下降而进一步增加，甚至造成渗透性休克。据报导，血细胞如果没有低温贮藏并处于等渗透压溶液中，只能有效存储42天。因此，低温贮藏对于生物材料的零下存储来说是一个非常严重的问题。随着再生医疗和器官移植的迅速发展，需要低温贮藏捐献的细胞、血液、组织和器官的数量将逐年上升。然而，不同的血液样品和活性生物组织所需要的低温贮藏不仅需要无毒和具有良好生物相容性的保护液体，同时也要求不同的贮藏温度，以获得最佳的保存时间。类似的，食品的冷冻存储也随着食品种类的不同而需要不同的贮藏温度以期获得最佳的保鲜效果。因此，开发无毒且具有良好的生物相容性，并且在低温贮藏温度的范围内，可以随着贮藏体系的不同而调控结冰温度的分散体系具有重要的理论与现实意义。据报道称，在特定条件下，纯水可以过冷到-39℃左右而仍然保持液态不结冰。但是通常情况下，由于各种成核剂的存在，水在0℃就会结冰，显然不适合单独作为保护液体使用。已有报道称，使用质量分数为0.1％的聚乙烯醇溶液低温贮藏绵羊的血细胞，并取得良好效果，但其使用范围很窄，不利于推广。另外，生活在寒冷环境中的生物体会分泌抗结冰蛋白以确保体系不结冰，但抗结冰蛋白提取困难且成本昂贵。而目前常用的低温保护剂如甘油、二甲亚砜和甲醇等有机溶剂，想要达到特定的贮藏温度所需要质量分数在20％以上，成本高且细胞毒性较强。因此，急需开发可以调控结冰温度，并且无毒，生物相容性好，用量少，廉价易得的替代者。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可以调控结冰温度的胶体纳米粒子与高分子的分散体系。该分散体系可以通过调控胶体纳米粒子和高分子的种类与添加比例，以及高分子的吸附量的变化对体系的成核结冰表现出促进或者抑制，从而获得可以调控的结冰温度。本专利技术的分散体系的主要成分为水，其他组分用量较少，且具有生物相容性好，可调控结冰温度，毒性小等诸多优点。为实现上述目的，本专利技术提供以下技术方案：一种可以调控结冰温度的胶体纳米粒子和高分子的分散体系，所述分散体系由表面带电荷的胶体纳米粒子和高分子混合分散于水中获得，所述高分子为具有促进结冰效果的高分子或者具有抗结冰效果的高分子。根据本专利技术，所述胶体纳米粒子为表面带负电荷的胶体纳米粒子或者表面带正电荷的胶体纳米粒子。优选的，所述胶体纳米粒子为表面带负电荷的胶体二氧化硅纳米粒子或者表面带正电荷的胶体二氧化硅纳米粒子。根据本专利技术，所述高分子为具有促进结冰效果和具生物相容性的高分子，或者具有抗结冰效果和具生物相容性的高分子。根据本专利技术，所述具有促进结冰效果和具生物相容性的高分子例如为聚乙烯醇(PVA)。优选地，所述具有促进结冰效果和具生物相容性的高分子的数均分子量为2万～30万，还优选的为3万～10万。根据本专利技术，所述具有抗结冰效果和具生物相容性的高分子例如为聚环氧乙烷(PEO)或者聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)。优选地，所述具有抗结冰效果和具生物相容性的高分子的数均分子量为2万～30万，还优选的为3万～10万。根据本专利技术，所述胶体纳米粒子的粒子尺寸为15nm～100nm，以稳定分散于水中的溶胶状态存在。优选地，粒子尺寸为20nm～50nm。根据本专利技术，所述胶体纳米粒子的比表面积为80m2/g～300m2/g，优选为100m2/g～200m2/g。根据本专利技术，所述胶体纳米粒子可以由商业购买或通过溶胶-凝胶法合成。根据本专利技术，所述溶胶状态存在的胶体纳米粒子为表面带负电的二氧化硅溶胶30R25、表面带负电的二氧化硅溶胶TM40或表面带正电的二氧化硅溶胶30CAC25。根据本专利技术，所述的分散体系中，所述的胶体纳米粒子与高分子的混合比例是以高分子在胶体纳米粒子表面的吸附量为标准，吸附量的范围为0.05mg/m2～30mg/m2。优选地，吸附量的范围为0.1mg/m2～10mg/m2。根据本专利技术，所述的分散体系中，以质量分数计，组成和含量为：表面带电荷的胶体纳米粒子0.05％～6％，优选地，0.1％～3％，高分子0.05％～6％，优选地，0.1％～3％，水88％～99.9％，优选地，94％～99.8％。根据本专利技术，所述水的电阻率的范围为0.1MΩ·cm～18.2MΩ·cm。优选地，电阻率的范围为1.0MΩ·cm～18.2MΩ·cm；还优选地，电阻率的范围为10.0MΩ·cm～18.2MΩ·cm；还优选地，电阻率的范围为15.0MΩ·cm～18.2MΩ·cm；更优选地，电阻率的范围为17.5MΩ·cm～18.2MΩ·cm。根据本专利技术，所述水为电阻率的范围为0.1MΩ·cm～18.2MΩ·cm的去离子水。本专利技术还提供如下技术方案：上述的可以调控结冰温度的胶体纳米粒子和高分子的分散体系的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)配制所述高分子的水溶液；(2)将所述胶体纳米粒子与步骤(1)中制备的水溶液混合，加入水；(3)混合得到本专利技术的分散体系。根据本专利技术，所述步骤(1)具体为：将占体系总量0.05wt％～6wt％的高分子加入少量水中，经溶胀溶解获得透明的高浓度水溶液。根据本专利技术，所述步骤(2)具体为：将占体系总量0.05wt％～6wt％的胶体纳米粒子与步骤(1)中制备的水溶液混合，并补加相应的水。优选地，步骤(2)中，将占体系总量0.05wt％～6wt％的胶体纳米粒子溶于水中配置成溶胶，将所述溶胶与步骤(1)中制备的水溶液混合，并补加相应的水。根据本专利技术，所述步骤(3)具体为：将步骤(2)中制备的混合体系搅拌均匀后放置在旋转混合器上，达到吸附平衡后获得本专利技术的分散体系。根据本专利技术，达到吸附平衡的时间为10小时～30小时。优选地，为12小时～25小时。本专利技术还提供如下技术方案：一种调节表面带电荷的胶体纳米粒子的溶胶的结冰温度的方法，所述方法包括以下步骤：在所述溶胶中加入高分子的水溶液；所述高分子为具有促进结冰效果的高分子或者具有抗结冰效果的高分子。根据本专利技术，所述胶体纳米粒子和高分子的定义同前。根据本专利技术，所述胶体纳米粒子的质量百分含量为整个体系的0.05wt％～6wt％，优选为0.1wt％～3wt％。根据本专利技术，所述高分子的质量百分含量为整个体系的0.05wt％～6wt％，优选为0.1wt％～3wt％。根据本专利技术，所述水的电阻率的范围为0.1MΩ·cm～18.2MΩ·cm。优选地，电阻率的范围为1.0MΩ·cm～18.2MΩ·cm；还优选地，电阻率的范围为10.0MΩ·cm～18.2MΩ·cm；还优选地，电阻率的范围为15.0MΩ·cm～18.2MΩ·cm；更优选地，电阻率的范围为17.5MΩ·cm～18.2MΩ·cm。根据本专利技术，所述水为电阻率的范围为0.1MΩ·cm～18.2MΩ·cm的去离子水。本专利技术还提供如下技术方案：上述的可以调控结冰温度的胶体纳米粒子和高分子的分散体系的应用，用于冷冻食品的保存、用于活性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可以调控结冰温度的胶体纳米粒子和高分子的分散体系，其特征在于，所述分散体系由表面带电荷的胶体纳米粒子和高分子混合分散于水中获得，所述高分子为具有促进结冰效果的高分子或者具有抗结冰效果的高分子。

【技术特征摘要】
1.一种可以调控结冰温度的胶体纳米粒子和高分子的分散体系，其特征在于，所述分散体系由表面带电荷的胶体纳米粒子和高分子混合分散于水中获得，所述高分子为具有促进结冰效果的高分子或者具有抗结冰效果的高分子。2.根据权利要求1所述的分散体系，其特征在于，所述胶体纳米粒子为表面带负电荷的胶体纳米粒子或者表面带正电荷的胶体纳米粒子。优选的，所述胶体纳米粒子为表面带负电荷的胶体二氧化硅纳米粒子或表面带正电荷的胶体二氧化硅纳米粒子。还优选地，所述胶体纳米粒子的粒子尺寸为15nm～100nm，以稳定分散于水中的溶胶状态存在。优选地，粒子尺寸为20nm～50nm。还优选地，所述胶体纳米粒子的比表面积为80m2/g～300m2/g，优选为100m2/g～200m2/g。优选地，所述溶胶状态存在的胶体纳米粒子为表面带负电的二氧化硅溶胶30R25、表面带负电的二氧化硅溶胶TM40或表面带正电的二氧化硅溶胶30CAC25。3.根据权利要求1或2所述的分散体系，其特征在于，所述高分子为具有促进结冰效果和具生物相容性的高分子，或者具有抗结冰效果和具生物相容性的高分子。优选地，所述具有促进结冰效果和具生物相容性的高分子例如为聚乙烯醇(PVA)。优选地，所述具有促进结冰效果和具生物相容性的高分子的数均分子量为2万～30万，还优选的为3万～10万。优选地，所述具有抗结冰效果和具生物相容性的高分子例如为聚环氧乙烷(PEO)或者聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)。优选地，所述具有抗结冰效果和具生物相容性的高分子的数均分子量为2万～30万，还优选的为3万～10万。4.根据权利要求1-3任一项所述的分散体系，其特征在于，所述的分散体系中，所述的胶体纳米粒子与高分子的混合比例是以高分子在胶体纳米粒子表面的吸附量为标准，吸附量的范围为0.05mg/m2～30mg/m2。优选地，吸附量的范围为0.1mg/m2～10mg/m2。5.根据权利要求1-4任一项所述的分散体系，其特征在于，所述的分散体系中，以质量分数计，组成和含量为：表面带电荷的胶体纳米粒子0.05％～6％，优选地，0.1％～3％，高分子0.05％～6％，优选地，0.1％～3％，水88％～99.9％，优选地，94％～99.8％。6.根据权利要求1-5任一项所述的分散体系，其特征在于，所述水的电阻率的范围为0.1MΩ·cm～18.2MΩ·cm。优选地，电阻率的范围为1.0MΩ·cm～18.2MΩ·cm；还优选地，电阻率的范围为10.0MΩ·cm～18.2...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱智超，王健君，邱东，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11