徐輝祥，羅鑫，羅金剛，田欽華，葛維娟

（西安培華學院，陜西西安 710125）

真空冷凍干燥技術是在一定溫度下使產品中的水分結成固態(tài)冰，并通過加熱操作直接轉化為水蒸氣，該技術可去除原料中95%～99%的水分，從而獲得所需要的干燥產品[1]。利用冷凍干燥方法干燥的產品具有疏松多孔的特點，形似多孔材料[2]。近年來，層式材料大量出現(xiàn)，然而多數(shù)多層復合敷料各層之間是通過縫合或相互粘結而成的，特別是通過膠粘劑粘合的復合層式材料，因膠粘劑性能上的局限，粘接強度有限，且使用過程中需配備專門的施膠設備，從而限制了其大量推廣和使用[3]。本文提出了一種利用冷凍干燥技術制備層式材料的工藝，進而為研發(fā)新型多層、多功能材料的實現(xiàn)提供新思路。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

YP102N電子天平，西安斯坦利生物科技有限公司；LGJ-40G普通真空冷凍干燥機，北京四環(huán)起航科技有限公司；BCD-539wt超低溫冰箱，海爾（Haier）；UPR-Ⅱ-20L超純水制備裝置，四川優(yōu)普超純科技有限公司；HH-2電熱恒溫水浴鍋，上海博珍儀器設備制造廠。

明膠，化學純，西安天正藥用輔料有限公司；聚乙烯醇，分子量4 000，分析純，西安聚信化工有限公司；羧甲基纖維素鈉[5]，分析純，西安聚信化工有限公司；色素，天津正遠化工有限公司；液氮，陜西秦唐新時代氣體有限公司；超純水，實驗室自制；一次性注射器，5 mL；玻璃平皿，60 mm。

1.2 實驗方法

1.2.1 水溶性層式材料構建原理

層式冷凍法是在利用冷凍干燥的基礎上改變傳統(tǒng)的工藝流程，主要對樣品干燥前進行處理，通過構建層式模型，再進行冷凍干燥得到層式材料。其層式模型構建原理如圖1所示。將高分子材料制備成一定濃度的溶液，預凍后加入第1層材料待其冷凍堅固后取出，在一定條件下加入第2層材料，兩層材料在接觸后接觸層會發(fā)生一定程度的互溶，因此經冷凍干燥后層與層之間會緊密連接。為了減少第1層材料與平皿底部接觸產生的凍痕問題，在平皿最底部預先凍一層薄冰，故干燥后材料會懸空在平皿中且疏松多孔。

圖1 層式材料構建原理

1.2.2 水溶性層式材料構建方法

（1）溶液配制：將0.5%的明膠溶液、5%聚乙烯醇-羧甲基纖維素鈉溶液混合，加入不同顏色的色素予以區(qū)分，放入-18 ℃冰箱中預凍30 min左右，使樣品溶液整體未凝固成固體冰，但內部有部分冰晶，表面有一層不成形的冰。

（2）冰層構建：取經處理后的直徑為60 mm玻璃平皿，加入超純水4 mL，放入低溫冰箱-18 ℃冷凍3 h以上，使低層冰凍實，防止冰層與材料互溶。

（3）層式構建：將凍有冰層的平皿取出，在冰層上面加少量液氮，待液氮揮發(fā)后快速加入3.5 mL預凍的材料溶液，并使其均勻覆蓋在冰面上。然后將平皿放入-18 ℃低溫冷凍冰箱中，冷凍2 h以上。在重復上述操作便可制成2層、3層的材料。

（4）干燥階段：將平皿物料室溫度在-15～0 ℃時將放在擱板上→當冷阱溫度在0 ℃時，真空泵打開，樣品進入冷凍干燥階段，干燥結束取出材料。

1.3 樣品觀察

待樣品干燥結束后，取出，肉眼觀察樣品在平皿中的懸空狀態(tài)，然后將樣品用鋒利的小刀切開形成平整的斷面，觀察層與層之間的分層、連接程度及材料內部的孔隙度。

2 結果與分析

2.1 干燥樣品側切面形態(tài)

圖2為5%聚乙烯醇-羧甲基纖維素鈉經層式冷凍干燥后的樣品切面?zhèn)纫晥D，可以清晰看見材料分層明顯，層與層之間連接緊密。由于在器皿中加有冰層，經干燥后冰升華離去在材料中留下大量疏松多孔的結構，所以在材料中可以看見有大量的疏松小孔。

如圖3為0.5%的明膠溶液干燥后側視圖，可以清晰地看見干燥后材料懸空在器皿中（如圖4），且底部構型完整、均勻、無突起、無黏連，避免了傳統(tǒng)方法干燥后材料貼在器皿上、底部有凍痕且不易分離的問題。

圖3 0.5%明膠三層材料干燥樣品側切面形態(tài)

圖4 0.5%明膠三層材料干燥后樣品懸空狀態(tài)

2.2 制備過程注意事項

（1）本實驗所用的材料需要用水溶解，因此該工藝適用水溶性材料。

（2）在實驗過程中，為了工藝研究方便，不同層都用了相同的材料。該工藝在實際應用過程中，可以根據實際需求，不同層采用不同功能的材料，也可以配制成不同的濃度，從而控制材料的孔隙度。

（3）在實驗過程中，發(fā)現(xiàn)在進行冰層構建時用超純水，冰層結構不理想，有突起的冰塊，且有細小的裂縫，對實驗結果有所影響。但通過反復實驗發(fā)現(xiàn)在冷凍時如果不蓋蓋子，冰層構型會相對完整，干燥后對實驗影響小。對此可將冰層做成稀NaCl溶液，構建相對完整的冰層，但干燥后NaCl會保存在材料里面，材料吸濕性增加，韌性減小，效果不理想。

（4）在實驗過程中，進行構建速凍模型時，加入的液氮量不宜過多，否則會使下一層產生裂縫，影響實驗結果。待液氮將要揮發(fā)完全時，快速加入預凍的材料溶液，過慢會出現(xiàn)兩層互溶現(xiàn)象，影響層式的構建。

（5）加入的材料和水不宜過多，否則干燥過程效率較低，并影響材料的透氣性，故在進行構建時最好加超純水4 mL，加材料溶液3～4 mL，最終成型的材料大約3～5 mm厚，干燥后2～4 mm厚。

（6）實驗過程中，加入色素的目的是使構建的層式材料的分層易于觀察，對實驗結果沒有影響。

（7）實驗過程中，為了解決兩層互溶問題，采用了加入NaCl降低冰點的方法，干燥后的材料如圖5所示，其干燥后與用液氮（如圖3所示）所制得的材料相比，結構更松軟，但吸水性強，在室內放置容易吸收空氣中的水分，變成一層薄薄的糊狀緊貼在平皿底部。因此，最后使用液氮冷卻構建速凍模型，使干燥后的材料成型好、韌性好、疏松多孔且分層明顯。

圖5 0.5%明膠-NaCl材料干燥俯視圖

3 結論

利用冷凍干燥技術構建水溶性層式材料的新工藝簡便易行，干燥后的層式材料均一，疏松多孔似海綿狀，且分層明顯，層與層之間連接緊密，有望通過進一步研究，應用于醫(yī)藥制劑中作為載藥貼劑材料[4-5]，或者服裝制造和口罩防護用品等領域，為新型多層多功能材料的研究提供新思路。