制备生物高分子纳米颗粒的方法技术

本发明专利技术揭示了一种制备生物高分子纳米颗粒产品的方法。在此方法中，将生物高分子原料和增塑剂加入具有螺旋结构的挤出机的进料区内，通过挤出机内的剪切力对生物高分子原料进行加工,在进料区的下游将交联剂加入挤出机中。所述生物高分子原料和增塑剂优选分开加入进料区中。所述螺纹结构可包括两个或更多个蒸汽密封区段。所述挤出机的第一区段中的剪切力大于位于挤出机第一区段下游的相邻的第二区段内的剪切力。可以在位于交联反应已经完成的位置后面的反应后区段内加入水，以改进模头性能。

【技术实现步骤摘要】
制备生物高分子纳米颗粒的方法本申请是国际申请号为＂PCT/US2007/075901＂，国际申请日为＂2007年8月14日＂，进入中国国家阶段的申请号为＂200780030298.9＂，专利技术名称为＂制备生物高分子纳米颗粒的方法＂的申请的分案申请。相关申请的交叉参考本申请要求2007年8月15日提交的美国专利临时专利申请60/837,669号的优先权。关于联邦政府资助研究的声明：无。
本专利技术涉及一种制备生物高分子纳米颗粒的方法，具体涉及制备淀粉纳米颗粒的方法。
技术介绍
美国专利第6,677,386号(对应于WO00/69916)描述了一种制备生物高分子纳米颗粒的方法,所述生物高分子纳米颗粒的一种形式是淀粉纳米颗粒。在此方法中，使用剪切力使得所述生物高分子增塑,在加工过程中加入交联剂。在加工之后，所述生物高分子纳米颗粒可以分散在水性介质中。所述方法的一种形式能够制得特点为平均粒度小于400纳米的淀粉纳米颗粒。美国专利第6,677,386号描述了纳米颗粒可以用作基质材料，所述基质材料可以是成膜材料，增稠剂,或者流变改性剂，或者粘合剂或粘合添加剂(增粘剂)。所述纳米颗粒或者其分散体也可利用其阻隔性，作为载体，作为脂肪替代品,或者作为减轻皮肤病的药物。所述纳米颗粒或其分散体的其它应用的例子是用于造纸和包装工业，或者用于农业和园艺。所述纳米颗粒可以在药物中用作赋形剂或载体，它们可以与缓释药物之类的活性物质络合或共价结合。所述纳米颗粒还可加工成较高密度的泡沫材料。美国专利第6,677,386号所述的纳米颗粒的其它应用可以参见以下文献：(i)美国专利申请公开第2004/0011487号，其描述了使用淀粉作为造纸纸浆中的湿部(wetend)添加剂,或者作为表面上胶剂施用于纸张表面;(ii)美国专利第6,825,252号，其描述了将淀粉用于着色纸张涂料组合物中的粘合剂;(iii)美国专利第6,921,430号，其描述了将淀粉用于环境友好型粘合剂;以及(iv)美国专利申请公开第2004/0241382号，其描述了将淀粉用于生产瓦楞纸板所用的粘合剂中。这些专利和申请的内容，以及本文所提到的所有其它出版物都全文参考结合入本文。人们可以观察到用美国专利第6,677,386号所述的方法制备的纳米颗粒具有许多的用途。另外，将来还可能发现其他的用途。因此，人们对更大量的生物高分子纳米颗粒的需求将会持续增加。但是，人们担心美国专利第6,677,386号所述的方法可能无法跟上人们对生物高分子纳米颗粒的日益增长需求。因此，人们需要一种改进的方法来制备更大量的生物高分子纳米颗粒，特别是淀粉纳米颗粒。
技术实现思路
本专利技术提供了一种改进的用来制备生物高分子纳米颗粒产品的方法，满足了以上需求。在此方法中，将生物高分子原料和增塑剂加入具有螺杆结构的挤出机的进料区内，利用挤出机内的剪切力对生物高分子原料进行加工,在所述进料区的下游将交联剂加入所述挤出机中。通过挤出模头使得挤出物发泡。在本专利技术的一个方面中,所述生物高分子原料和增塑剂分开加入所述进料区中。在本专利技术的另一个方面，所述挤出机在进料区中具有单螺纹元件(singleflightelement)。在本专利技术的另一个方面，所述挤出机具有上游区段、下游区段，以及位于所述上游区段和下游区段之间的中间区段,所述中间区段内的温度保持在高于100℃。在本专利技术的另一个方面,所述螺杆结构包括两个或更多个蒸汽密封(steamseal)区段，其中各个蒸汽密封区段具有上游压力产生区段和相邻的下游混合区段。各个上游压力产生区段具有向前传送的螺纹(flight)，各个下游混合区段具有逆向的螺纹。在本专利技术的另一个方面,挤出机的第一区段内的剪切力大于位于挤出机第一区段下游的相邻的第二区段内的剪切力,将交联剂加入所述挤出机的第二区段内。在本专利技术的另一个方面,挤出机的第一区段内的剪切力大于位于所述第一区段下游的挤出机反应后区段内的剪切力，所述反应后区段位于所述交联反应已经完成的位置,将水加入所述反应后区段。所述生物高分子原料可以是淀粉。淀粉的非限制性例子包括马铃薯淀粉、小麦淀粉、木薯(tapioca)淀粉、木薯(cassava)淀粉、大米淀粉、玉米淀粉、蜡质玉米淀粉、以及任何其它淀粉。在一个实施例中，所述纳米颗粒由基于高支链淀粉的淀粉形成(>95%的支链淀粉,<5%的直链淀粉)。所述增塑剂可以选自水、醇、以及它们的混合物。所述增塑剂可以选自水、多元醇、以及它们的混合物。所述交联剂可以选自二醛和多醛,酸酐和混合酸酐(例如琥珀酸酐和乙酸酐)等。合适的二醛和多醛是戊二醛,乙二醛,高碘酸盐氧化的碳水化合物等。所述交联剂可以选自常规的交联剂，例如表氯醇和其它环氧化物、三磷酸酯和二乙烯基砜。所述交联反应可以是酸催化的或者碱催化的。一种根据本专利技术的方法可以使得生物高分子原料完全胶凝或接近完全胶凝。较佳的是，所述方法可以实现在交联反应之前实际上完全除去任何天然的生物高分子(例如淀粉)晶体结构，使得使用标准技术(例如交叉极化显微镜检查法)不能检测到所述晶体结构。根据本专利技术的方法解决了以较高生产速率(例如1公吨/小时)除去天然生物高分子(例如淀粉)晶体结构的困难。根据本专利技术的方法还提高了对纳米颗粒的胶体分散体粘度的控制。所述生物高分子纳米颗粒当分散在水中的时候会形成聚合物胶体,本专利技术的挤出条件对这些胶体分散体的粘度具有影响。聚合物胶体的给人深刻印象之处在于，它们能够形成较高分子量聚合物的高固体含量分散体,通常固体含量为40-65%(理论最大值为72%,实际上具有很宽的粒度分布的特殊乳液达到了该最大值)。但是这些分散体的粘度仍然较低(例如500-2500厘泊;注：厘泊=毫帕.秒)。溶于溶剂的相同聚合物在固体含量为10-15％的情况下通常具有很高的粘度(大于5000厘泊)。而溶液中的聚合物的粘度与其分子量成正比,但胶体乳液的粘度则不是。胶体乳液的粘度与分子量无关，很大程度上是由颗粒数、粒度和粒度分布决定的。本专利技术的挤出条件与生物高分子(例如淀粉)纳米颗粒的胶体分散体粘度之间的关系并不直观。通过本专利技术的挤出法制备的交联的纳米颗粒包含少量的(<~1%)未交联的生物高分子(例如淀粉)，这些未交联的生物高分子用作纳米颗粒的位阻稳定剂。这种位阻稳定剂通常被本领域技术人员称为“保护胶体”。作为生物高分子(例如淀粉)的纳米颗粒分散体的保护胶体的生物高分子(例如淀粉)聚合物部分是通过反应挤出法形成的,其导致了所述纳米颗粒水分散体的有益的剪切稀化流变性质，同时还造成了该体系所观察到的出人意料的极高的剪切稳定性。形成瓦棱纸的辊隙内的剪切速率约为20,000秒-1(很高的剪切),而高速纸张涂层施涂中的剪切速率为数百万秒-1(极高的剪切)。因此根据本专利技术制备的淀粉纳米颗粒分散体非常适合用作形成瓦楞纸和纸张涂层应用中的高固体含量胶体。尽管不同的挤出条件会导致不同的粘度,它们都包含类似尺寸且高分子量(由于交联造成)的交联纳米颗粒,但是根据挤出条件的剧烈程度，还包含可能具有较低或较高分子量的保护胶体。一种根据本专利技术的方法可以控制由所述淀粉纳米颗粒原位形成的保护胶体的分子量。通过以下详述、附图和所附权利要求书可以更好地理解本专利技术的这些本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备生物高分子纳米颗粒产品的方法，该方法包括:将生物高分子原料和增塑剂加入具有螺旋结构的挤出机的进料区内，利用在所述进料区下游的挤出机内的剪切力对所述生物高分子原料进行加工，其中，所述增塑剂包含有机化合物和水；和将除了增塑剂中任何水之外的水也加入进料区中。

【技术特征摘要】
2006.08.15 US 60/837,6691.一种制备生物高分子纳米颗粒产品的方法，该方法包括:将生物高分子原料和增塑剂加入具有螺旋结构的挤出机的进料区内，利用挤出机内的剪切力对所述生物高分子原料进行加工；和其中，所述螺旋结构包括在胶凝区中的一系列蒸汽密封区段，每个蒸汽密封区段具有上游压力产生区段和相邻的下游逆向捏合段。2.如权利要求1所述的方法，该方法还包括:将生物高分子原料和包含水的增塑剂加入具有螺旋结构的挤出机的进料区内，利用在挤出机内的剪切力对所述生物高分子原料进行加工；和在挤出机的除进料区以外的上游位置加入除了增塑剂中的水之外的水。3.如权利要求1所述的方法，该方法还包括：在进料区的下游将交联剂加入挤出机中，和在挤出机的胶凝之前的上游位置和挤出机的交联反应完成之后的下游位置加入除了增塑剂中的水之外的水。4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：所述方法的生产速率大于或等于1.0公吨产品/小时。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述生产速率大于或等于3.0公吨产品/小时。6.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于:所述生物高分子原料和增塑剂是通过单个进口分开加入所述进料区中。7.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于:所述挤出机的进料区中具有含有单螺纹元件的机筒；所述生物高分子原料和增塑剂是分开加入所述机筒中；和将粉末状的生物高分子原料加入机筒中。8.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于:所述挤出机具有上游区段、下游区段，以及位于所述上游区段和下游区段之间的中间区段,并且所述中间区段内的温度保持在高于1000C。9.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：各个上游压力产生区段具有向前传送的螺纹。10.如权利要求1-2中任一项所述的方法，该方法还包括:在进料区的下游将交联剂加入所述挤出机中，其中，在所述挤出机中的混合元件上加入所述交联剂。11.如权利要求1-2中任一项所述的方法，该方法包括:在进料区的下游将交联剂加入所述挤出机中；和提供挤出机的第一区段和所述挤出机的在第一区段下游的反应后区段，所述反应后区段位于所述交联反应已经发生的位置，其中，将水加入所述反应后区段中。12.如权利要求1-3中任一项所述的方法，该...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·H·维尔丁，E·范艾格道姆，S·布罗姆伯根，
申请(专利权)人：生态合成材料有限公司，
类型：发明
国别省市：