CN101570616A - 一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合凝胶材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合凝胶材料及其制备方法，是利用细菌纤维素的网状纳米纤维复合聚乙烯醇(PVA)水凝胶以形成双凝胶体，其构成成分及重量百分比分别为细菌纤维素1－2％；聚乙烯醇1－15％；去离子水83％－98％。本发明是一种具有良好力学性能、生物相容性的双凝胶材料，由于聚乙烯醇与细菌纤维素中的羟基形成氢键，大大提高了凝胶体的力学性能，弥补了现有聚乙烯醇水凝胶的力学性能不足和细菌纤维素的抗压性能不足的缺陷，可广泛应用于制备生物医用材料和产品。
Description
技术领域
本发明属于生物技术领域，具体涉及一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合凝胶材料及其制备方法。
背景技术
聚乙烯醇(PVA)是由聚醋酸乙烯醇水解而成的一种水溶性聚合物，PVA水凝胶是PVA亲水性大分子经交联后形成的网状结构，是一种具有良好生物相容性、柔韧性的高弹性材料，作为智能生物材料及医用材料有着广泛的应用前景。PVA水凝胶在受到压力作用后，水凝胶表面具有膜的特性，可使处于其中的水和低分子量物质从其中渗透扩散，渗出的液体能在材料表面起到润滑剂的作用。研究表明它可以制成具有类似天然软骨组织的多孔状结构，将其植入活体组织能够减少对周围细胞和组织的刺激。单一的PVA水凝胶因其缺乏足够的力学强度而存在应用上的障碍，尤其作为软骨替代材料，缺乏足够的抗压和抗剪切性能来承受人体关节表面的负载条件。研究发现，在材料内部引入交联结构可以弥补这一缺陷，通常有两种交联方式，即化学交联和物理交联。化学交联的水凝胶难以除去对人体有害的小分子，物理交联可以避免交联剂的引入，但其强度和保持性不理想。
细菌纤维素(BC)主要是由醋酸菌属中的木醋杆菌(Acetobacter xylinum)分泌的代谢产物，这些纤维素分子通过氢键互相连接，形成走向与菌体长轴平行的纤维素束，经进一步聚合形成纤维素膜；随着发酵时间的延续，纤维素膜的片层逐渐加厚，最终在发酵液的表面形成厚厚的一层细菌纤维素与水形成的凝胶膜。从化学组成上看，细菌纤维素的分子结构都是由吡喃型葡萄糖单体以β-1，4糖苷键连接而成的直链聚合物，聚合度一般在16000单体。由于木醋杆菌产生的细菌纤维素中存在大量的羟基，可以形成很强的分子内和分子间氢键，并且结晶度高于普通植物纤维，从而使得细菌纤维素具有比普通植物纤维高的弹性模量和抗拉强度。近年来研究发现，细菌纤维素可以替代大约50％的胶原支持软骨细胞增殖，而比其它天然工程支架材料如：胶原、海藻酸盐、透明质酸，纤维蛋白、壳聚糖等，在力学性能方面优越性明显，但细菌纤维素的抗压性能不足限制了它作为生物材料使用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有聚乙烯醇水凝胶的力学性能不足和细菌纤维素的抗压性能不足的缺陷，提供一种具有良好力学性能及生物相容性能的细菌纤维素/聚乙烯醇复合凝胶材料及其制备方法。
本发明的目的是采用以下技术方案来实现的：
一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合凝胶材料，是利用细菌纤维素的网状纳米纤维复合聚乙烯醇(PVA)水凝胶以形成双凝胶体，其构成成分及重量百分比分别为：
细菌纤维素 1-2％
聚乙烯醇 1-15％
去离子水 83％-98％。
而且，所述细菌纤维素由木醋杆菌(Acetobacter xylinum)在静止培养时分泌于表面形成的一层白色纤维状物质，它是由直径是10-100纳米的纤维组成的网状结构。
而且，所述聚乙烯醇的聚合度为500～2000。
一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合凝胶材料的制备方法，步骤是：
(1)将聚乙烯醇放入去离子水中搅拌，待溶液成透明后，制得聚乙烯醇溶液；
(2)在聚乙烯醇溶液中加入细菌纤维素湿膜，将含有细菌纤维素湿膜的聚乙烯醇溶液放入旋转蒸发器中，利用旋转减压蒸馏方法，使细菌纤维素湿膜中的水与聚乙烯醇溶液相互渗透达到平衡；
(3)将聚乙烯醇细菌纤维素湿膜取出放入冷冻箱中缓慢冷冻，然后取出，再放入保温箱中缓慢升温解冻，冷冻-解冻的速率为0.1～1℃/min；
(4)将步骤(3)重复循环3-6次，即制得细菌纤维素/聚乙烯醇复合凝胶材料成品。
而且，所述将聚乙烯醇细菌纤维素湿膜取出放入冷冻箱中缓慢冷却到-20℃保持6-10小时，然后取出，放入保温箱中缓慢升温至室温20℃保持3-5小时。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明的细菌纤维素/聚乙烯醇复合凝胶材料与现有技术中有聚乙烯醇凝胶或聚乙烯醇的物理交联、化学交联相比较，具有无残留的小分子和更好的生物降解性能和物理力学性能，在结构上具有微孔的网状微观结构，并且通过选用不同的重量配比，可使复合凝胶具有不同的物理力学性能。
2、本发明由于聚乙烯醇与细菌纤维素中的羟基形成氢键，大大提高了凝胶体的力学性能和抗压性能，是一种可任意调控降解速率的新型软骨组织工程复合材料，广泛应用于制备生物医用材料和产品。
附图说明
图1为本发明细菌纤维素/聚乙烯醇中纳米纤维和孔形态的原子力显微镜图(AFM)；
图2为本发明拉伸的应力应变曲线；其中：曲线①为聚乙烯醇拉伸的应力应变曲线，曲线②为细菌纤维素拉伸的应力应变曲线，曲线③为细菌纤维素/聚乙烯醇拉伸的应力应变曲线。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合凝胶材料，是利用细菌纤维素的网状纳米纤维复合聚乙烯醇(PVA)水凝胶以形成双凝胶体，其构成及重量百分比范围为：
细菌纤维素 1-2％；
聚乙烯醇 1-15％；
去离子水 83％-98％。
本发明中，所述细菌纤维素由木醋杆菌(Acetobacter xylinum)在静止培养时分泌于表面形成的一层白色纤维状物质，它是由直径是10-100纳米的纤维组成的网状结构。
本发明中，所述聚乙烯醇的聚合度为500～2000。
一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合凝胶材料的制备方法，步骤是：
(1)将聚合度为1750的10克聚乙烯醇放入90克的70℃去离子水中搅拌2小时后，待溶液成透明后，制得浓度为10％的聚乙烯醇溶液；
(2)在聚乙烯醇溶液中加入细菌纤维素湿膜100克(其细菌纤维素含量为1克)，将含有细菌纤维素湿膜的聚乙烯醇溶液放入旋转蒸发器中，在温度为62℃下、0.1Pa减压蒸发2小时，使得细菌纤维素湿膜中的水与聚乙烯醇溶液相互渗透达到平衡；
(3)将聚乙烯醇细菌纤维素湿膜取出放入冷冻箱中缓慢冷却到-20℃保持8小时，然后取出，放入保温箱中缓慢升温至室温20℃保持4小时，冷冻-解冻的速率为0.1～1℃/min；
(4)将步骤(3)重复循环3-6次，即制得细菌纤维素/聚乙烯醇复合凝胶材料成品。
本发明的细菌纤维素/聚乙烯醇复合凝胶材料性能可以从附图中得到验证：
图1细菌纤维素/聚乙烯醇中纳米纤维和孔形态的原子力显微镜图(AFM)，细菌纤维素的微纤丝与聚乙烯醇互穿复合成水凝胶，且有微孔分布在水凝胶中；
图2为拉伸的应力应变曲线：曲线①为聚乙烯醇含量为10％的水凝胶拉伸的应力应变曲线，曲线②为细菌纤维素含量为1％的水凝胶拉伸的应力应变曲线，曲线③为细菌纤维素/聚乙烯醇复合凝胶拉伸的应力应变曲线，其中细菌纤维素的含量为1％，聚乙烯醇的含量为10％。
Claims (5)
1、一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合凝胶材料，其特征在于：是利用细菌纤维素的网状纳米纤维复合聚乙烯醇(PVA)水凝胶以形成双凝胶体，其构成成分及重量百分比分别为：
细菌纤维素 1-2％
聚乙烯醇 1-15％
去离子水 83％-98％。
2、根据权利要求1所述的一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合凝胶材料，其特征在于：所述细菌纤维素由木醋杆菌(Acetobacter xylinum)在静止培养时分泌于表面形成的一层白色纤维状物质，它是由直径是10-100纳米的纤维组成的网状结构。
3、根据权利要求1所述的一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合凝胶材料，其特征在于：所述聚乙烯醇的聚合度为500～2000。
4、一种如权利要求1所述的细菌纤维素/聚乙烯醇复合凝胶材料的制备方法，其特征在于：制备方法的步骤是：
(1)将聚乙烯醇放入去离子水中搅拌，待溶液成透明后，制得聚乙烯醇溶液；
(2)在聚乙烯醇溶液中加入细菌纤维素湿膜，将含有细菌纤维素湿膜的聚乙烯醇溶液放入旋转蒸发器中，利用旋转减压蒸馏方法，使细菌纤维素湿膜中的水与聚乙烯醇溶液相互渗透达到平衡；
(3)将聚乙烯醇细菌纤维素湿膜取出放入冷冻箱中缓慢冷冻，然后取出，再放入保温箱中缓慢升温解冻，冷冻-解冻的速率为0.1～1℃/min；
(4)将步骤(3)重复循环3-6次，即制得细菌纤维素/聚乙烯醇复合凝胶材料成品。
5、根据权利要求4所述的一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合凝胶材料的制备方法，其特征在于：所述将聚乙烯醇细菌纤维素湿膜取出放入冷冻箱中缓慢冷却到-20℃保持6-10小时，然后取出，放入保温箱中缓慢升温至室温20℃保持3-5小时。
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