CN104650385A - 一种复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合材料的制备方法，其包含以下步骤：通过高压机械匀浆法破碎细菌纤维素膜，制得匀浆后的细菌纤维素后，进行酸化水解反应，酸化处理后将进行水洗，然后离心，得到微晶纤维素；将所得微晶纤维素分散到氧化石墨烯分散液中，如附图1所示。本发明制备的复合材料具有更好的抗菌性能。

Description

一种复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备方法，尤其涉及细菌纤维素/氧化石墨烯抗菌性复合材料的制备方法。

背景技术

氧化石墨烯就是具有单层片状结构的氧化石墨，氧化石墨烯和石墨烯有相似的结构，但表面具有活性含氧功能基团如羰基、羧基和环氧等官能团，提高了氧化石墨烯的水溶性，它可以在水中较好的分散，使氧化石墨烯和聚合物的兼容性也有所提高，并且这些含氧基团大多是亲水的，因而氧化石墨烯的亲水性高于石墨烯。此外，氧化石墨烯具有良好的抗菌性能，其抗菌机制主要是由于氧化石墨烯纳米微粒与微生物细胞的相互作用，对细胞进行直接接触，破坏细胞膜，使其失去完整性，特别涉及到氧化石墨烯与细胞相互作用后引起不可逆转的细胞破坏。

细菌纤维素(Bacterial cellulose)是在不同条件下，由醋酸菌属、土壤杆菌属、根瘤菌属和八叠球菌属等中的某种微生物合成的细菌纤维素的统称。

细菌纤维素是一种天然的水凝胶，它的水凝胶性质优于合成的多聚物，如，它有很高的含水量(98％～99％)，高吸水性，高湿膜强度，高化学纯度，可以被安全稳定的灭菌而不对其结构和性质产生影响。类似于人体皮肤，可应用于烧伤病人的皮肤替代物和面膜等敷料。此外，由于细菌纤维素有很强的亲水性、粘稠性和稳定性，可以应用于食品成型剂、分散剂、改善口感的肠衣和药物载体等，已成为一种新型的食品基料和膳食纤维。除此之外，细菌纤维素还可应用于造纸、高级音响设备振动膜等。

氧化石墨烯/细菌纤维素抗菌性复合材料有很强的应用价值，其绿色、安全性，稳定的载药能力、抗菌能力，是应用于伤口敷料、口服药物的前提。

最重要的是细菌纤维素和氧化石墨烯作为复合性，优于单一任何一种形式的载药能力。氧化石墨烯作为单一载体时，分散液不稳定，易沉降，无法用于伤口敷料。细菌纤维素作为单一载体时，细菌纤维素无抗菌性，难以避免菌体滋生，破坏药物。所以复合性材料是最方便、理想的外敷材料，有很大的应用潜力。

发明内容

本发明提供一种制备的复合材料的制备方法，其包括下述步骤：

a)通过高压机械匀浆法破碎细菌纤维素膜，制得匀浆后的细菌纤维素后，进行酸化水解反应，酸化处理后将进行水洗，然后离心，得到微晶纤维素；

b)将所得微晶纤维素分散到氧化石墨烯分散液中。

在本发明一个优选的实施例中，所述的高压机械匀浆法的高压为1-100MPa。

在本发明一个优选的实施例中，所述的酸化水解反应的酸解介质是硫酸、硝酸或盐酸。

在本发明一个优选的实施例中，其中所述的氧化石墨烯分散液的浓度是300-600μg/ml。

在本发明一个优选的实施例中，其中所述的氧化石墨烯为纳米粒子。

在本发明一个优选的实施例中，实现本发明的技术解决方案为：本发明首先通过机械匀浆法破碎细菌纤维素膜，得高压匀浆后的细菌纤维素后，进行酸化水解反应4h，酸化处理后将进行反复的离心水洗直至浆液的pH＝7，再次离心，得到微晶纤维素CNC(crystal nanocellulose)。最后将微晶纤维素分散到氧化石墨烯分散液中，充分的吸附氧化石墨烯微粒，氧化石墨烯微粒粘附到改性后的细菌纤维素表面，纤维素稳定装载氧化石墨烯微粒。

微晶纤维素质地很大程度影响着氧化石墨烯复合材料的抗菌效果。为解决上述技术问题，本发明氧化石墨烯/细菌纤维素抗菌性复合材料的制备方法，具体制备步骤如下：

[1]将洗后的干净细菌纤维素膜进行高压机械匀浆处理，匀浆压力为0.1-100MPa.

[2]高压匀浆处理后的细菌纤维素中加过量酸(硫酸、硝酸、盐酸)，在摇床条件下50-200rpm充分酸化水解反应1-10h。

[3]酸化反应后，反复离心水洗，直至pH为中性，最后一次离心得微晶纤维素CNC。酸化的目的在于，可以将细菌纤维素中更多的亲水基团暴露出来，提高纤维素的结晶度，材料更精细，且与之后氧化石墨烯的吸附更加容易，抑制氧化石墨烯纳米颗粒团聚。

[4]微晶纤维素于120℃，0.1MPa灭菌20min

[5]称量0.001-2mg/ml的氧化石墨烯超声分散到去离子水中，直至成均质黑色溶液。

[6]将0.1-10干重量份的氧化石墨烯分散液加入到10～100干重量份的微晶纤维素溶液中，在摇床50-200rpm进行充分的吸附作用。

[7]如需干燥的药物敷料，可进行平铺并烘干至恒重。

[8]本发明湿料细菌纤维素/氧化石墨烯复合性抗菌材料与干料相比有较好的抗菌性。

至此，完成了细菌纤维素/氧化石墨烯的制备。

与现有技术相比，本发明的创新性在于：

1.通过用机械匀浆与酸化处理相结合的预处理方法使BC形成微晶纤维素CNC，更多的亲水基团暴露于纤维表面，使得CNC与GO进行相互作用，从而GO以纳米形态更稳定的存在于纤维素基质表面。机械匀浆的目的是为后续的酸化水解过程进行的更充分，酸化处理的目的是为细菌纤维素完全形成微晶纤维素，充分暴露表面的亲水基团。

2.通过机械法制备复合材料，得以使GO均匀分布，成为纤维孔洞的填充物。不仅赋予复合材料抗菌性能，也增强了BC基质的机械强度和热稳定性。

本发明创造了制备复合材料的新方法。在复合材料的制备过程中，机械处理的方法(酸化、匀浆)直接影响着复合材料的抗菌性能。这与其抗菌机制直接相关。由此达到GO均匀且稳定的暴露于基质表面的目的，从而对微生物细胞具有更强的杀伤力。

本发明对细菌纤维素/氧化石墨烯抗菌性复合材料的制作方法，操作工艺简单，对制作过程各步骤可控，对氧化石墨烯分散液浓度可自由把握，且氧化石墨烯的强抗菌能力可保护敷料不受菌体侵染。为了验证本发明材料的抗菌性能，以氧化石墨烯的抗菌机制为主线，通过氧化石墨烯微粒与菌体进行物理性的相互作用，高速的摇床条件增大了菌体与氧化石墨烯微粒的作用机会，也增加了氧化石墨烯微粒对菌体的作用力度，从而实现对微生物细胞的抑制。

附图说明

图1氧化石墨烯/细菌纤维素复合材料照片

图2BC、GO以及GO/BC的扫描电镜照片，其中：

a为BC的扫描电镜图；

b为GO分散液的扫描电镜图；

c为1wt％GO/BC复合材料的扫描电镜图；

d为5wt％GO/BC复合材料的扫描电镜图。

具体实施方式

在实验前首先验证了氧化石墨烯的抗菌能力，具体操作方案如下：

选取金黄色葡萄球菌作为模式菌株。首先接金黄色葡萄球菌甘油管入LB培养液中，37℃培养10-14h，于对数中期停止。

清洗菌体。取菌液于离心管中，4000rpm，离心5min，倒清液，加入等量生理盐水吹吸、离心，反复3次。

将清洗后的菌液进行10倍梯度稀释，待用。取OD值为0.6的菌液。

称量。用分析天平称取不同质量的氧化石墨烯片状材料放入30ml蒸馏水中，超声1-3h，分散成均质金黑色分散液，对照组为无石墨烯的生理盐水。

取5ml菌液于不同浓度的氧化石墨烯分散液和对照组中，于37℃，220rpm，6h培养。

培养后的分散液和对照组稀释涂布，37℃过夜培养，观察菌落数。每个浓度做2个平行样，3次重复试验。 

氧化石墨烯分散液浓度在550μg/ml时抗菌能力很强，金黄色葡萄球菌死亡率达94.4％；氧化石墨烯分散液浓度在450μg/ml，抗菌率可达到81.1％；氧化石墨烯分散液浓度在350μg/ml，抑菌率为62.2％，低浓度时抗菌能力相对较弱。

本实验用平板菌落计数法验证了氧化石墨烯的抗菌能力，但其抗菌效果与氧化石墨烯的浓度密切相关。

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

实施例1(对比例)

一种氧化石墨烯/细菌纤维素抗菌性复合材料的制备方法，步骤如下：

首先，用去离子水、葡萄糖、蛋白胨、十二水合磷酸氢二钠、酵母粉配制成细菌纤维素培养液，pH＝6，将培养液置入高温高压灭菌锅中，120℃，0.1MPa，灭菌20min；将木醋杆菌甘油管接入培养液中，摇匀后，将培养液倒入平皿培养，30℃，2-3d静置培养；取2-3d培养后的细菌纤维素膜在0.1M/1NaOH溶液中浸泡过夜，中间过程更换一次碱液，浸泡成乳白色，用去离子水反复冲洗，直至用PH试纸测试pH为中性，将纤维素膜放入高压匀浆机中匀浆，匀浆压力为0.1MPa，lmin。对比例匀浆后无酸化处理，将纤维素进行高温高压灭菌。称取500μg/ml的氧化石墨烯，于无菌水中超声分散1-3h，分散成金属光泽的均质氧化石墨烯分散液后与纤维素混合搅拌，并于摇床反应2h。

得到的氧化石墨烯/细菌纤维素复合材料，取OD值为0.6的金黄色葡萄球菌液与细菌纤维素/氧化石墨烯复合材料于230rpm摇床作用6h抗菌率为29％。

实施例2

一种氧化石墨烯/细菌纤维素抗菌性复合材料的制备方法，步骤如下：

与实施例1不同的是，在细菌纤维素膜进行碱液浸泡和水洗后，将膜放入高压匀浆机中，加少许去离子水匀浆，匀浆压力为20MPa，10min，匀浆后加入60％的硫酸酸化水解。称取500μg/ml的氧化石墨烯，于无菌水中超声分散1-3h，分散成金属光泽的均质氧化石墨烯分散液后与纤维素乳状物混合搅拌，并于摇床反应2h。

得到的氧化石墨烯/细菌纤维素复合材料，取OD值为0.6的金黄色葡萄球菌液与细菌纤维素/氧化石墨烯复合材料于230rpm摇床作用6h抗菌率为64％。

实施例3

一种氧化石墨烯/细菌纤维素抗菌性复合材料的制备方法，步骤如下：

与实施例1不同的是，在细菌纤维素膜进行碱液浸泡和水洗后，将膜放入高压匀浆机中，加少许去离子水匀浆，匀浆压力为50MPa，10min，匀浆后加入60％的硫酸酸化水解，摇床170rpm充分水解反应4h。水解反应后反复离心水洗直至pH为中性，形成微晶纤维素，微晶纤维素 在使用前进行高温高压灭菌。称取500μg/ml的氧化石墨烯，于无菌水中超声分散1-3h，直至分散液成黑色加入灭菌后的微晶细菌纤维素胶凝物，充分搅拌，并于摇床反应2h。

得到的氧化石墨烯/细菌纤维素复合材料，取OD值为0.6的金黄色葡萄球菌液与细菌纤维素/氧化石墨烯复合材料于230rpm摇床作用6h抗菌率为72％。

实施例4

一种氧化石墨烯/细菌纤维素复合抗菌性复合材料的制备方法，步骤如下：

与实施例1不同的是，在细菌纤维素膜进行碱液浸泡和水洗后，将膜放入高压匀浆机中，加少许去离子水匀浆，匀浆压力为50MPa，10min，匀浆后加入60％的硝酸酸化水解，摇床170rpm充分水解反应4h。水解反应后反复离心水洗直至pH为中性，形成微晶纤维素，微晶纤维素在使用前进行高温高压灭菌。称取500μg/ml的氧化石墨烯，于无菌水中超声分散1-3h，直至分散液成黑色加入灭菌后的微晶细菌纤维素胶凝物，充分搅拌，并于摇床反应2h。

得到的氧化石墨烯/细菌纤维素复合材料，取OD值为0.6的金黄色葡萄球菌液与细菌纤维素/氧化石墨烯复合材料于230rpm摇床作用6h抗菌率为80％。

实施例5

一种氧化石墨烯/细菌纤维素复合抗菌性复合材料的制备方法

与实施例1不同的是，在细菌纤维素膜进行碱液浸泡和水洗后，将膜放入高压匀浆机中，加少许去离子水匀浆，匀浆压力为50MPa，10min，匀浆后加入15％的盐酸酸化水解，摇床170rpm充分水解反应4h。水解反应后反复离心水洗直至pH为中性，形成微晶纤维素，微晶纤维素在使用前进行高温高压灭菌。称取500μg/ml的氧化石墨烯，于无菌水中超声分散1-3h，直至分散液成黑色加入灭菌后的微晶细菌纤维素胶凝物，充分搅拌，并于摇床反应2h。

得到的氧化石墨烯/细菌纤维素复合材料，取OD值为0.6的金黄色葡萄球菌液与细菌纤维素/氧化石墨烯复合材料于230rpm摇床作用6h抗菌率为59％。

Claims (5)

1.一种复合材料的制备方法，包含以下步骤：

a)通过高压机械匀浆法破碎细菌纤维素膜，制得匀浆后的细菌纤维素后，进行酸化水解反应，酸化处理后将进行水洗，然后离心，得到微晶纤维素；

b)将所得微晶纤维素分散到氧化石墨烯分散液中。

2.权利要求1所述的方法，其中所述的高压为1-100MPa，时间为1-10min。

3.权利要求1所述的方法，其中所述的酸化水解反应的酸解介质是硫酸、硝酸或盐酸。

4.权利要求1所述的方法，其中所述的氧化石墨烯分散液的浓度是300-600μg/ml。

5.权利要求1所述的方法，其中所述的氧化石墨烯为纳米粒子。