具有表面电荷可调性的功能性壳聚糖支架作为过滤介质制造技术

本发明专利技术公开了制备功能性壳聚糖支架的方法以及所述功能性壳聚糖支架用作过滤介质。所述方法包括在适宜的交联剂和添加剂的存在下冻干壳聚糖。本发明专利技术壳聚糖支架具有增加的机械强度和弹性及可调节的表面极性、孔隙度和形态，使其可用于需要过滤介质的多种装置、设备和器具(诸如空气或水净化系统)中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用途非常广泛的过滤介质及其生产方法。具体而言，本专利技术涉及用于所述过滤介质的功能性壳聚糖支架的使用和制备方法。
技术介绍
壳聚糖，即(1-4)-连接的2-氨基-2-脱氧-D-吡喃葡萄糖，是第二丰富的天然多糖。壳聚糖以吸收水中的污染物和重金属的极强能力而著称。已证明壳聚糖吸收废水中1，000-1, 100g/kg的反应性染料，比过滤工业中通常使用的活性炭高若干倍。壳聚糖在生物可利用性、生物相容性和成本方面也远远优于金属基滤器。然而，虽然壳聚糖具有这些优势，它也有多种限制性，诸如相对较弱的机械强度以及容易受酸和碱的影响，这些限制性妨碍了壳聚糖作为单独的材料用于空气净化和水纯化应用。因此，已进行了广泛的研究来开发一种能够产生实际应用的壳聚糖。最近过滤介质工业中开发了电纺壳聚糖纳米纤维。一个韩国研究小组开发了电纺壳聚糖纳米纤维垫用于吸收水中的Cu(II)和Pb(II)，而且同时保持了壳聚糖原始的有益特性,诸如其生物相容性、亲水性、生物活性、非抗原性和无毒性(Park等，Journal ofMembrane Science, 328,90, 2009)。Park等人发现的电纺壳聚糖纳米纤维垫具有的优异的金属离子吸收性表明了电纺壳聚糖滤除有毒金属离子和微生物的潜在应用。四川教育学院的Sun等人也报道了电纺壳聚糖纳米纤维在诸如酶固定、过滤、创伤敷料、组织工程和药物递送等其他领域具有潜在应用(eXPRESS Polymer Letters, Vol.5, N0.4,2011,pp342-361)。博洛尼亚大学的Luppi等人报道，一种用于经鼻插入的冻干的壳聚糖/果胶显示出在水吸收能力和粘膜粘附能力方面有所提高，可用于递送抗精神病药物(Luppi等，European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, Vol 75,第 3 期，2010,PP 381-387)。其他的冻干壳聚糖材料已有所报道。例如:Patel等教导了冻干的壳聚糖-聚氧化乙烯水凝胶的制备和表征，该水凝胶可用于在胃中递送抗生素(Patel等，Pharmaceutical Research, Vol 13, N0.4,1996, pp588_593)。然而，由于对于用作过滤介质而言，冻干的壳聚糖多孔材料的机械强度仍然太小，因此所有这些现有的技术都没有公开用于空气或水的纯化目的的冻干壳聚糖。此外，还从未报道过具有可调的表面电荷和密度的壳聚糖支架。 因此，需要开发一种能够实际应用于 纯化目的的 新型壳聚糖材料
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用作过滤介质的新型功能性壳聚糖支架以及制备所述功能性壳聚糖支架的方法。所述制备方法包括将壳聚糖与适宜的交联剂和添加剂一起冻干。再将冻干的壳聚糖进行二次干燥，其中二次干燥的温度高于初始冻干温度以增强壳聚糖的机械强度。本专利技术冻干的壳聚糖与非冻干的壳聚糖相比具有增加的机械强度和弹性。适当加入交联剂和添加剂使得壳聚糖支架的孔隙度和形态得到控制，并且能够调节支架的表面极性以及加入功能特性。一种实施方式中，本专利技术的壳聚糖和适宜的交联剂、添加剂及二氧化钛(TiO2)或其他光催化纳米颗粒一起冻干，从而产生的壳聚糖支架是可再生的和可再利用的。另一种实施方式中，本专利技术的壳聚糖和适宜的交联剂、添加剂及CaCO3 —起冻干以加强其吸湿性和机械强度。本专利技术壳聚糖支架优异的物理和化学性质使其成为用于高压过滤和过滤具有不同尺寸和电荷的颗粒或物质的极佳介质。本专利技术冻干的壳聚糖支架过滤介质可过滤气态或液态物质，诸如空气和水。本专利技术过滤介质可整合入需要过滤介质的任何仪器、设备或装置，例如任何家用器具，诸如空调、饮水机等。附图说明图1a和图1b是根据本申请所述制备的冻干壳聚糖支架的扫描电子显微镜图像-图1a是X 1，000放大倍率，图1b是X 500放大倍率。图2a和图2b是根据本申请所述制备的壳聚糖支架的图片。图2a显示冻干的纯壳聚糖支架，图2b显示具有CaCO3的冻干壳聚糖。图3a_3c显示根据本专利技术所述制备的冻干壳聚糖的物理性质。图3a表示无外界压力时的壳聚糖支架。冻干的壳聚糖是柔性的(图3b)和挠性的(图3c)。具体实施例方式下文将详细描述本专利技术当前优选的实施方式，这些描述用于阐释本专利技术的原理。充分描述了本文公开的实施 方式或实施例以使本领域技术人员能够实施本专利技术，应理解可使用其他实施方式，也可在不脱离本专利技术精神的情况下进行改变。本专利技术涉及用于过滤介质的功能性壳聚糖支架及其制备方法。所述方法包括冻干壳聚糖的溶液。所述冻干包括在第一温度和第一压力下冷冻壳聚糖溶液，在第二温度和第二压力下干燥所述溶液以成为第一冻干的壳聚糖，并任选之后在第三温度下对所述第一冻干的壳聚糖进行第二干燥，所述第三温度高于第一温度和第二温度以加强壳聚糖支架的机械强度。第二干燥步骤旨在减少壳聚糖溶液中的任何残余水分，该步骤可在低于所述第一压力和第二压力的第三压力下进行。一些实施方式中，冻干步骤和在较高温度进行的随后第二干燥步骤可重复至少一次。通过将壳聚糖溶解在一种或多种羧酸中来制备所述壳聚糖溶液，所述一种或多种羧酸作为溶剂和交联剂来交联溶解的壳聚糖分子。如果需要，可用均质化来辅助壳聚糖的溶解。所述一种或多种羧酸的性质以及不同羧酸的混合比率决定了所产生的功能性壳聚糖支架过滤介质的总表面电荷和电荷密度。本专利技术的壳聚糖支架可以带正电、带负电或是电中性的。本文所用术语“混合比率”指混合成为用于溶解壳聚糖的溶液的一种或多种羧酸的比率。本专利技术壳聚糖支架的扫描电子显微镜图像分别以XI，000和X 500的放大倍率示于图1a和Ib中。取决于在仪器、装置或设备中壳聚糖支架的全部或部分用作过滤介质或者壳聚糖支架用作独立的过滤装置，本专利技术壳聚糖支架可以任意尺寸和/或形状(规则的或不规则的)形成。这通过将壳聚糖溶液转移到具有过滤介质或装置所需的大小和/或形状的容器中并在其中进行冻干程序和后续干燥来实现。可选地，使壳聚糖溶液进入或通过具有所需大小或形状的模子或在冻干程序后切成所需大小和形状。本文所用术语“壳聚糖”可指纯的壳聚糖、壳聚糖盐、壳聚糖衍生物或它们的组合。用于本专利技术的壳聚糖可通过在过氧化氢溶液中使天然几丁质脱乙酰化，或使用本领域技术人员易知的其他技术获自天然来源，例如虾或蟹的壳。可使用本领域可用的技术来合成壳聚糖或对其进行化学修饰。某些实施方式中，适用于本专利技术的壳聚糖可具有5kDa至2，0001^^，或501^^至1，0001^^或1001^^至9001^^的分子量范围。可用于本专利技术的壳聚糖的分子量范围和可溶性很广，只要有适宜的溶剂来溶解壳聚糖。某些实施方式中，壳聚糖的脱乙酰化百分比为40-95%或75%-100%。一种实施方式中，壳聚糖的脱乙酰化大于95%。其他实施方式中，取决于所需的最终应用，壳聚糖任选地与其他合成聚合物和蛋白混合。为获得本专利技术可用作过滤介质的功能性壳聚糖支架，将一种或多种壳聚糖或其衍生物溶解在一种或多种羧酸·的溶液中。所述一种或多种羧酸的溶液起溶剂和交联剂的作用来溶解和交联准备冻干的壳聚糖。本领域技术人员容易理解，通过改变羧酸的不同组合和/或不同羧酸的混合比率，可获得带负电、带正电或电荷中性的溶液本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备用于过滤介质的功能性壳聚糖支架的方法，包括将壳聚糖或其衍生物溶解在一种或多种羧酸的溶液中以形成壳聚糖溶液，其中所述一种或多种羧酸作为溶剂和交联剂来溶解和交联所述壳聚糖或其衍生物；冻干所述壳聚糖溶液，其中所述冻干包括在第一温度、第一压力下冷冻所述壳聚糖溶液以及在第二温度和第二压力下干燥所述溶液，所述第二温度高于所述第一温度并且所述第二压力低于所述第一压力，由此所述一种或多种羧酸的溶液直接从固相升华为气相，以及其中，根据所选的在所述一种或多种羧酸的溶液中不同羧酸的比率，选择性调节所述功能性壳聚糖支架的表面电荷和电荷密度，由此使得产生的表面电荷是正的、负的或中性的。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：黄家伟，林菁怡，陈梅，
申请(专利权)人：纳米及先进材料研发院有限公司，
类型：发明
国别省市：