本發(fā)明屬于納米纖維素，具體涉及一種季銨化木質(zhì)纖維素納米纖絲及水凝膠藥物載體的制備方法。

背景技術(shù)：

1、木質(zhì)纖維素是一種豐富的可再生資源，廣泛存在于植物細胞壁中。通過將木質(zhì)纖維素提煉和加工成納米級纖維，可以更有效地利用木質(zhì)資源，并降低對有限資源的依賴。蔗渣是在甘蔗提煉糖分后剩余的固體殘渣，是一種常見的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品，主要組成包括纖維素(40～50％)、半纖維素(15～25％)、木質(zhì)素(20～25％)等。

2、迄今為止，人們越來越關(guān)注生物基納米纖維素材料，木質(zhì)纖維素納米纖絲(lignin-containing?cellulose?nanofibrils，lcnf)作為綠色納米纖維家族的新興成員，結(jié)合了木質(zhì)纖維素與納米纖維素的特點。其產(chǎn)工藝較為簡單，成本低，能耗低，更加綠色環(huán)保。且由于木質(zhì)素的存在，lcnf具有一定的還原性、高分散穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性、抗紫外和抗氧化活性等。

3、木質(zhì)纖維素細胞壁是一種緊密的層級結(jié)構(gòu)，直接從木質(zhì)纖維素中解離出納米纖絲較為困難。預處理是實現(xiàn)木質(zhì)纖維生物質(zhì)組分分離和高值化利用的關(guān)鍵步驟。研究表明在纖維結(jié)構(gòu)中引入帶電官能團能使纖維間產(chǎn)生靜電排斥作用，促進纖維的微纖化過程，而且引入的官能團還能增加纖維素的活性位點。例如，利用傳統(tǒng)分子溶劑的綠色替代品一低共熔溶劑(deep?eutectic?solvent，des)改性纖維素纖維等。該生產(chǎn)過程比傳統(tǒng)的(cellulose?nanofibrils)cnf制備途徑更加環(huán)保和經(jīng)濟可行，不再需要木質(zhì)素去除和漂白的步驟。公告號：cn?114481658b，公開了一種以蔗渣為原料通過naoh預處理和tempo氧化制備納米纖維素的方法，制備的納米纖維素具有分散性好、形態(tài)可控、產(chǎn)率高的優(yōu)點。公開號：cn?116463873a，公開了一種以蔗渣為原料通過des預處理制備一種疏水改性木質(zhì)纖維素納米纖絲的方法，其低共熔溶劑是由氫鍵受體、氫鍵供體和酸性助劑混合，氯化膽堿、乙二醇和稀鹽酸組成的三元系統(tǒng)，稀鹽酸為額外添加的助劑用于去除木質(zhì)素。該方法雖然可以成功解離木質(zhì)纖維素，但需要額外添加稀鹽酸達到反應條件，易污染環(huán)境。以上制備工藝中，制備的納米纖維素性能良好，但是提取纖維素的工藝流程復雜，而且所用的試劑對環(huán)境的污染大，不符合綠色可持續(xù)發(fā)展的要求。綠色改性木質(zhì)纖維素將是高效制備lcnf的理想解決方案，而且lcnf中引入的官能團和保留的木素將賦予納米纖維更多的活性位點以及還原性。這有利于木質(zhì)纖維素納米纖絲在水凝膠制備的應用。

4、為制備季銨化木質(zhì)纖維素納米纖絲，在des存在下添加甲苯磺酰氯和甜菜堿鹽酸鹽，季銨基團接枝到纖維素的羥基位點。使用甜菜堿鹽酸鹽作為天然基陽離子化試劑，而對甲苯磺酰基氯化物作為偶聯(lián)劑，用于在纖維素和甜菜堿鹽酸鹽之間形成酯鍵。季銨鹽具有較低的細胞毒性和抗菌性，有利于木質(zhì)纖維素納米纖絲在水凝膠載體的應用。因此，有必要研究出一種制備工藝簡單、條件溫和、綠色環(huán)保，季銨化木質(zhì)纖維素納米纖絲的制備方法。

5、季銨化木質(zhì)纖維素納米纖絲具備以下優(yōu)點：(1)本發(fā)明提出的季銨化木質(zhì)纖維素納米纖維的生產(chǎn)策略具有低成本、原料利用率高的優(yōu)勢。相比于棉花、木材等常規(guī)纖維原料，蔗渣屬于農(nóng)工業(yè)廢棄物，原料成本幾乎為零；同時避免了高消耗、高污染的脫木質(zhì)素、脫半纖維素工藝，保留的木質(zhì)素和半纖維素能參與季銨化改性，有效提高原料的利用率，適合擴大生產(chǎn)；(2)原纖維表面的電荷可以有效促進纖維的解離，能顯著降低高壓均質(zhì)的能耗；(3)木質(zhì)纖維素納米纖絲保留的木質(zhì)素不僅能作為還原劑提高水凝膠自由基聚合速度而且可以作為致孔劑增加水凝膠的孔隙率，延長藥物的釋放時間，減緩藥物釋放速率。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對以上問題，本發(fā)明提供一種季銨化木質(zhì)纖維素納米纖絲制備方法和應用，該納米纖絲木質(zhì)素含量高，直徑分布均一。利用季銨化木質(zhì)纖維素納米纖絲中木質(zhì)素的還原性，與金屬離子發(fā)生氧化還原反應，引發(fā)自由基聚合，得到木質(zhì)纖維素納米纖絲水凝膠。本發(fā)明的季銨化木質(zhì)纖維素納米纖絲及水凝膠具備良好生物相容性，且制備工藝綠色無污染，反應條件溫和、能耗低。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種季銨化木質(zhì)纖維素納米纖絲，利用氯化膽堿和咪唑合成的低共熔溶劑對蔗渣原料進行預處理，然后加入甲苯磺酰氯和甜菜堿鹽酸鹽進行季銨化改性，經(jīng)過機械微纖化制得季銨化木質(zhì)纖維素納米纖絲。

4、作為技術(shù)方案的優(yōu)選，所述季銨化木質(zhì)纖維素納米纖絲的陽離子含量在0.9～1.9％，直徑分布為4～10nm，相對結(jié)晶度為40～50％。

5、一種如上所述的季銨化木質(zhì)纖維素納米纖絲的制備方法，包括以下步驟：(1)低共熔溶劑預處理：將蔗渣進行粉碎、洗滌和烘干處理，然后將處理后的蔗渣加入氯化膽堿和咪唑合成的低共熔溶劑中進行預處理，混合均勻，得到預處理后的蔗渣溶液；

6、(2)季銨化改性：將甲苯磺酰氯和甜菜堿鹽酸鹽加入步驟(1)預處理后的蔗渣溶液中進行季銨化改性，在機械攪拌下進行反應，反應結(jié)束后加入乙醇終止反應，將反應后的蔗渣通過離心洗滌至中性，收集固體密封平衡水分，得到季銨化改性后的蔗渣；

7、(3)機械微纖化：將步驟(2)中經(jīng)過季銨化改性后的蔗渣分散于去離子水中，配制成懸浮液，進行超微粒研磨處理，即可制得陰離子化木質(zhì)纖維素納米纖絲。

8、在本發(fā)明的步驟(2)中，預處理后的蔗渣與甜菜堿鹽酸鹽發(fā)生反應的反應式為：

9、

10、作為技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(1)中，所述蔗渣與低共熔溶劑的質(zhì)量比為1：20～30；所述氯化膽堿和咪唑的摩爾比為3∶7，反應溫度為80～160℃，機械攪拌下反應4～12h。

11、作為技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(2)中，所述甲苯磺酰氯和甜菜堿鹽酸鹽的摩爾比為2～3：3，甲苯磺酰氯與纖維素的摩爾比為3：1。

12、作為技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(2)中，所述反應為在溫度80℃、轉(zhuǎn)速200～400rpm的機械攪拌下反應4～6h。

13、作為技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(3)中，所述超微粒研磨的磨盤間隙為50～200nm，循環(huán)次數(shù)為20～30次。

14、作為技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(3)中，所述懸浮液的濃度為0.5～2wt％。

15、一種如上所述的季銨化木質(zhì)纖維素納米纖絲作為還原劑和增強劑用于制備木質(zhì)纖維素水凝膠并實現(xiàn)對對左氧氟沙星的釋放。水凝膠材料的制備方法，其特征在于：季銨化木質(zhì)纖維素納米纖絲與氯化亞錫、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(dmaema)和丙烯酸(aa)交聯(lián)聚合，制備季銨化木質(zhì)纖維素納米纖絲水凝膠，具體步驟如下：

16、(1)加入1.5ml季銨化木質(zhì)纖維素納米纖絲(10mg/ml)，0.06g氯化亞錫和5.3ml水攪拌10min；

17、(2)在步驟(1)的溶液中加入2ml?dmaema，1.2ml?aa，攪拌5min；

18、(3)向步驟(2)中的混合溶液中加入3mg?n，n′-亞甲基雙丙烯酰胺(mba)攪拌5min；

19、(4)向步驟(3)中的混合溶液中加入20mg過硫酸銨(aps)攪拌5min后，靜置形成水凝膠；

20、載藥水凝膠的制備是在步驟(3)后加入0.1g左氧氟沙星(lev)并攪拌均勻后加入過硫酸銨后攪拌均勻靜置得到載藥水凝膠。

21、本發(fā)明的反應原理：

22、本發(fā)明首先對蔗渣預處理，氯化膽堿和咪唑合成低共熔溶劑，氯化膽堿和咪唑發(fā)揮協(xié)同作用，降解纖維素的分子鏈，削弱纖維素的氫鍵。經(jīng)低共熔溶劑處理后催化了木質(zhì)纖維素中醚鍵和酯鍵的裂解。此外，低共熔溶劑具有很好的溶脹能力，可以打開纖維素結(jié)構(gòu)，增加反應表面積，有利于暴露更多的反應位點。

23、如上述反應式所示，對木質(zhì)纖維素的改性的反應機理：首先，堿性咪唑作為催化劑使甜菜堿的羧酸基團去質(zhì)子化；然后脫質(zhì)子甜菜堿與甲苯磺酰氯反應形成混合酸酐，咪唑作為酸清除劑通過中和在此階段作為副產(chǎn)物形成的氯化氫起作用；木質(zhì)纖維素的羥基氧原子在羰基碳上與混合酸酐反應生成中間體。然后中間體被咪唑去質(zhì)子化，形成產(chǎn)物纖維素甜菜堿酯，即季銨化木質(zhì)纖維素。該預處理不僅能減小纖維粒徑，水解部分無定形區(qū)，而且可以在纖維表面接枝季銨基團，這有利于防止纖維素在低共熔溶劑預處理過程中水解和溶解，未水解的纖維素固體殘余物通過機械研磨得到納米纖維素，可以降低能耗。并且纖維結(jié)構(gòu)中引入帶電官能團能使纖維間產(chǎn)生靜電排斥作用，促進纖維的微纖化過程。采用低共熔溶劑結(jié)合甜菜堿與甲苯磺酰氯處理，通過對蔗渣水解溶脹和酯化作用，可以高效制備季銨化木質(zhì)纖維素納米纖絲。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果為：

25、1、本發(fā)明通過綠色低共熔溶劑對蔗渣進行預處理，并通過季銨化改性在纖維上引入的帶電基團。該過程有效促進纖維的解離，使纖維間產(chǎn)生靜電作用力，促進纖維的微纖化過程，并降低機械研磨的能耗。經(jīng)過改性后的蔗渣能輕易通過超微粒研磨得到凝膠狀，且制得的季銨化木質(zhì)纖維素納米纖絲直徑分布范圍窄、尺寸均一。該制備過程是綠色、環(huán)保的，符合綠色化學生產(chǎn)的要求。

26、2、本發(fā)明的季銨化木質(zhì)纖維素納米纖絲，保留木質(zhì)素因富含酚羥基、醇羥基、苯基等多種活性基團使其具有良好的熱穩(wěn)定性、還原性。同時，木質(zhì)素位于纖維素鏈之間還可以降低纖維的團聚。

27、3、本發(fā)明的季銨化木質(zhì)纖維素納米纖絲，與金屬離子可通過氧化還原引發(fā)自由基聚合制備水凝膠。該過程可在室溫下高效快速進行，無需額外引入引發(fā)劑。本發(fā)明的制備工藝簡單、綠色環(huán)保，為從蔗渣中綠色提取木質(zhì)纖維素并簡單有效制備木質(zhì)納米纖維素水凝膠提供了一種新的思路。

28、4、本發(fā)明的木質(zhì)纖維素納米纖絲水凝膠具備良好的機械性能、生物相容性和抗菌性能，并可以作為緩釋載體，實現(xiàn)對左氧氟沙星的緩慢持續(xù)性釋放。

29、5、本發(fā)明以豐富的蔗渣作為原材料，制備季銨化木質(zhì)纖維素納米纖絲，為蔗渣的利用開辟了一個渠道，促進了甘蔗種植地區(qū)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。本發(fā)明制得的木質(zhì)纖維素納米纖絲水凝膠在醫(yī)學生物領(lǐng)域具有極大的實際應用前景。