CN104958782B - 一种细菌纤维素多孔泡沫材料及其制备方法 - Google Patents
一种细菌纤维素多孔泡沫材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种细菌纤维素多孔泡沫材料及其制备方法，泡沫材料中的气孔存在于细菌纤维素水凝胶内部，数量多且密集，尺度均匀。制备方法包括：(1)制备纳米细菌纤维素水凝胶；(2)将上述细菌纤维素水凝胶浸泡于过氧化氢或酸溶液中；(3)将浸泡有细菌纤维素水凝胶的过氧化氢溶液加热，加入强氧化剂或在室温下加入催化剂，并均匀反应；或将浸泡有细菌纤维素水凝胶的酸溶液中加入过量碳酸盐，并均匀反应；(4)用水清洗；(5)骤冷或逐步降温，冷冻干燥，即得。本发明具有适合细胞长入的大孔、很高的比表面积和适宜的孔隙率，实验结果表明，细胞在孔内生长情况良好，本细菌纤维素多孔泡沫材料具有应用于组织工程支架的潜力。
Description
技术领域
本发明属于细菌纤维素材料领域，特别涉及一种细菌纤维素多孔泡沫材料及其制备方法。
背景技术
细菌纤维素主要是以木醋杆菌等醋酸菌经发酵而成的一类具有纳米纤维网络结构的聚合物。不同的菌种所合成的细菌纤维素微观结构与力学性能差别均不大。自1886年，Brown首次报道细菌合成纤维素以来，世界各国展开了大量的对此种纤维素的研究。经过一系列研究可知，细菌纤维素是由β-D-葡萄糖通过β-1,4-糖苷键结合成的直链，直链间彼此平行，不呈螺旋构象，无分支结构。其三维结构中，同一条直链间，同一平面不同直链以及上下不同直链间都有氢键紧密交联，形成致密的交联网状结构。因此，作为一种新型的生物材料，细菌纤维素水凝胶拥有众多独特性能，如高结晶度和高化学纯度；高抗张强度和弹性模量；很强的水结合性；极佳的形状维持能力和抗撕力；较高的生物相容性和良好的生物可降解性等。因此，细菌纤维素材料在食品工业，造纸工业，生物医药，功能材料等领域被广泛应用。细菌纤维素良好的力学性能、透气性能、生物相容性等性质使其在生物医用领域中，尤其在组织工程支架、骨支架、软骨支架、人工血管、人工皮肤以及药物载体等方面具有十分广阔的商业应用潜力。
细胞支架材料是组织工程领域的重要组成部分，作为优良的细胞支架材料需要具备以下特点：生物相容性好、无毒、无免疫原性；可降解，有一定的孔隙率和力学强度；支架能维持细胞形态和表型，并促进细胞黏附与增殖，诱导组织再生；相互连通的三维、多孔网状结构。因此，寻找理想的支架材料是组织工程研究的热点之一。目前，人们已经利用胶原、壳聚糖、甲壳素、PLGA等众多的高分子制备组织工程支架。与上述材料相比，细菌纳米纤维素因其优良的特性可成为优秀的组织工程支架。中国专利CN201310224291与专利CN201310110593公布的细菌纤维素三维陈列多孔支架的制备方法，均是通过三维快速成型技术将石蜡进行预处理，并将种子液接种到石蜡中进行发酵培养，培养6-14天后将石蜡去除，得到三微阵列多孔支架，这种制备多孔支架技术耗时时间较长。中国专利CN201210575505公布了一种具备疏密结构的多孔细菌纤维素皮肤修复材料及其制备方法，通过分步调节发酵培养液上方空气整体气压以及氧气分压来实现细菌纤维素薄膜的疏密双层结构；通过在疏松层静置培养过程中添加缓释微球，使纤维素微纤丝之间通过分子内与分子间氢键结合，结晶形成细菌纤维素的过程中，原位包覆缓释微球，微球降解后，形成疏松层内部多孔结构。其反应时间较长，反应过程较为复杂。国家专利CN201110191767描述了一种细菌纤维素支架材料的制备方法及其制品，以氯化钠晶体作为致孔剂得到一种细菌纤维素纳米三维网络结构中均匀分布着50～250μm大孔的细菌纤维素支架材料的方法及其制品，虽然其制备过程较上述几种方法简单易行、操作方便、且无污染，但是材料在清洗过程中，会存在氯化钠残留在细菌纤维素支架材料中。在中国专利CN201110191826一种细菌纤维素多孔泡沫材料及其制备方法中，通过偶氮二甲酰胺作为发泡剂并且添加表面活性剂和稳泡剂配制成发泡溶液，将成型的细菌纤维素膜充分浸泡在该发泡溶液中后加热发泡制备细菌纤维素多孔泡沫材料，细菌纤维素膜内部结构呈现椭圆形孔洞，孔洞之间相互贯通，其孔径为5～20μm。反应中使用的发泡剂及其它各种材料对环境会造成一定污染。
中国专利CN200810053552介绍了一种多孔细菌纤维素海绵的制备方法，通过将多片细菌纤维素水凝胶膜与冰晶致孔剂混合均匀，在-20～-50℃下进行预冻并制成浓度为0.1～1％的均相分散体系，利用相分离法制备出多孔细菌纤维素海绵，反应过程中冷冻干燥使得细菌纤维素膜的机械物理性能大幅下降。中国专利CN201010141801中介绍了一种琼脂糖加强三维纳米多孔细菌纤维素支架及其应用，将细菌纤维素水凝胶置入0.5％-3％(g/ml)琼脂糖溶液中，搅拌使细菌纤维素粉碎，得到片状细菌纤维素，制成细菌纤维素混悬液，再将上述悬浊液加热至琼脂糖完全溶解，然后将上述悬浊液加入模具中加工得到三维纳米多孔细菌纤维素支架一种细菌纤维素支架。反应过程使得细菌纤维素三维网络结构被破碎，其特有的机械性能被破坏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种细菌纤维素多孔泡沫材料及其制备方法，该材料具有适合细胞长入的大孔、很高的比表面积和适宜的孔隙率，且制备方法绿色环保，效率高。此外，可通过保留细菌纤维素膜中的三维网络结构，整体强度高。
本发明的一种细菌纤维素多孔泡沫材料，所述泡沫材料中的气孔存在于细菌纤维素水凝胶内部，数量多且密集，气孔直径范围为0.01-0.8mm，尺度均匀。
本发明的一种细菌纤维素多孔泡沫材料的制备方法，包括：
(1)利用微生物发酵方法制备纳米细菌纤维素水凝胶，经过碱液纯化处理并充分清洗后，得到纯净的细菌纤维素水凝胶；
(2)将上述细菌纤维素水凝胶浸泡于过氧化氢或强酸溶液中，在室温下浸渍24h以上；
或者将步骤(1)获得的纯净细菌纤维素水凝胶匀浆，倒入带有盖子的容器或者模具中，倒掉多余的游离水，盖上盖子限制细菌纤维素水凝胶的体积；
或者将步骤(1)获得的纯净细菌纤维素水凝胶匀浆，倒入带有盖子的容器或者模具中，倒掉多余的游离水，加入其它与水互溶的高分子溶液混匀后，盖上盖子限制细菌纤维素水凝胶的体积；
(3)将上述浸泡有细菌纤维素水凝胶的过氧化氢溶液加热至40～80℃，加入强氧化剂，或在室温下加入催化剂，并均匀反应1h以上；或上述浸泡有细菌纤维素水凝胶的强酸溶液，加入过量碳酸盐，并均匀反应1h以上；
(4)用水清洗经过步骤(3)处理过的细菌纤维素水凝胶；
(5)将所获得的细菌纤维素水凝胶骤冷或逐步降温至-20℃--196℃，待细菌纤维素水凝胶冻成固体后冷冻干燥，即得细菌纤维素多孔泡沫材料。
所述步骤(1)中的碱液纯化处理具体为采用0.5-1M的氢氧化钠溶液在80℃处理2h，连续处理3次以上。
所述步骤(2)中的过氧化氢溶液的浓度为10％～30％w/v。
所述步骤(2)中的强酸溶液为盐酸、硫酸、硝酸等中的一种或多种，浓度为10％～37％w/v。
所述步骤(2)中的与水互溶的高分子溶液为琼脂糖、甲壳素、壳聚糖及其衍生物、淀粉及其衍生物、纤维素及其衍生物、聚乙烯醇(PVA)、胶原等动物胶，海藻酸盐等植物胶，黄原胶、结冷胶、可得然胶、葡聚糖、普鲁兰多糖、小核菌葡聚糖等微生物胶中的一种或多种，浓度为0.5％～50％w/v。
所述步骤(3)中的强氧化剂为亚氯酸钠、次氯酸钠、次氯酸钙中的一种或几种，强氧化剂与过氧化氢的质量比为2-4:1；
所述步骤(3)中的催化剂为碘化钾、二氧化锰、氢氧化铁、氯化铁、高锰酸钾、铬酸等金属盐或金属氧化物中的一种或几种，催化剂与过氧化氢的质量比为0.1-0.5:1。
所述步骤(3)中的碳酸盐为碳酸氢钠或碳酸钠等碳酸盐，碳酸盐与强酸质量比为1-5:1。
所述步骤(3)中的均匀反应采用超声、振荡或搅拌。
所述步骤(4)中获得的细菌纤维素水凝胶中均匀散布着直径为0.01-0.8mm气孔。
所述步骤(4)中获得的细菌纤维素水凝胶中气孔直径可以随着氧化剂或催化剂与过氧化氢的质量比增大而减小。
所述步骤(4)中获得的细菌纤维素水凝胶中气孔直径可以随着碳酸盐与酸的质量比增大而减小。
本发明采用在细菌纤维素内部过氧化氢或碳酸盐分解生成氧气或二氧化碳气体，制备出含有大孔的细菌纤维素泡沫材料，适合细胞的黏附和向材料内部的长入，从而使得细菌纤维素更加适合作为组织工程支架使用。本发明使用的材料为细菌纤维素水凝胶，使用了过氧化氢与亚氯酸钠、次氯酸钠、次氯酸钙等强氧化剂反应放出氧气，或是利用过氧化氢与碘化钾、二氧化锰、氢氧化铁、氯化铁、高锰酸钾、铬酸等催化剂反应放出氧气，或采用碳酸钠等碳酸盐与强酸反应放出二氧化碳气体，反应药品安全无毒、绿色环保，反应过程持续时间较短，操作步骤简单易行。
有益效果
本发明的细菌纤维素多孔泡沫材料具有适合细胞长入的大孔、很高的比表面积和适宜的孔隙率，且由于保留了细菌纤维素膜中的三维网络结构，整体强度高；本发明所采用药品绿色环保、无毒，反应具有高效、简便、快捷，以及可控等特点，从而极大的优化了细菌纤维素作为组织工程支架材料的性能。
附图说明
图1为一种细菌纤维素多孔泡沫材料的宏观形貌图；
图2为一种细菌纤维素多孔泡沫材料的光学显微镜观察图；
图3为一种细菌纤维素多孔泡沫材料放大200倍的扫描电子显微镜图；
图4为随氧化剂亚氯酸钠与过氧化氢的质量比逐渐增大的不同的细菌纤维素多孔泡沫材料的宏观形貌图；
图5为图4中的不同细菌纤维素多孔泡沫材料样品的光学显微镜局部放大图；
图6为不同的过氧化氢与亚氯酸钠的体积质量比条件下(H2O2:NaClO2的比例，(A)5ml:2.5g；(B)5ml:5g；(C)5ml:7.5g；(D)5ml:10g)制备获得的多孔BC膜的显微镜图和孔径分布统计图(反应时间20min，温度50℃，a-d分别为A-D的孔径分布图)；
图7为次氯酸钠与过氧化氢反应制备的多孔BC膜显微镜图(反应时间20min，温度50℃，B为A的孔径分布图)；
图8为利用KI催化剂制备多孔BC膜显微镜图(室温下反应；A、B为同一膜上不同位置图，a、b分别为A、B的孔径分布图)；
图9为利用氢氧化铁、氯化铁或者高锰酸钾催化剂制备多孔BC膜显微镜图(室温下反应，A、B为同一膜上不同位置图)；
图10为利用碳酸钠制备多孔BC膜显微镜图(室温下，A、B为同一膜上不同位置图，a、b分别为A、B的孔径分布图)；
图11为利用碳酸氢钠制备多孔BC膜显微镜图(A、B为同一膜上不同位置图，a、b分别为A、B的孔径分布图)。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
木醋杆菌(Acetobacter xylinum)为出发菌株，经过发酵制备出乳白色的细菌纤维素水凝胶膜。将细菌纤维素膜用0.5M的氢氧化钠溶液在80℃条件下处理2h，连续处理3次得到细菌纤维素水凝胶膜为乳白色半透明片状胶状体。将木醋杆菌生成的细菌纤维素水凝胶膜浸渍于10％(w/v)过氧化氢溶液24小时以上，在反应体系中加入亚氯酸钠(亚氯酸钠与过氧化氢的质量比为4：1)，在50℃环境中振荡1小时以上，然后将样品取出置于水中反复清洗，获得样品见图1，光学显微镜观察图见图2。肉眼可见细菌纤维素凝胶内部产生了大量气孔，有一些汇聚成了更大的孔。局部区域经显微镜放大后可见，内部的气孔孔径在20-300μm。将所获得的细菌纤维素水凝胶骤冷或逐步降温至-20℃至-196℃，待细菌纤维素水凝胶冻成固体后冷冻干燥，即得细菌纤维素多孔泡沫材料，在扫描电子显微镜下观察，放大200倍的照片见图3，可以见到细菌纤维素内部有许多200-300μm的孔洞。
实施例2
以微生物譬如木醋杆菌(Acetobacter xylinum)或者红茶菌为生产菌株，经过发酵制备获得细菌纤维素水凝胶膜。将细菌纤维素膜用0.5M的氢氧化钠溶液在80℃条件下处理2h，连续处理3次得到细菌纤维素水凝胶膜为乳白色半透明片状胶状体。将细菌纤维素水凝胶膜浸渍于20％(w/v)过氧化氢溶液24小时，在反应体系中加入亚氯酸钠(亚氯酸钠与过氧化氢的质量比为1：1、2：1、3：1、4：1)，在50℃环境中震荡1小时以上，然后将样品取出置于水中反复清洗，获得的样品见图4。由图4可见，随着氧化剂亚氯酸钠与过氧化氢的质量比的提高，细菌纤维素内部的气孔孔径变小且数量增多，经光学显微镜放大观察(图5)同样证实了该变化趋势.。将所获得的细菌纤维素水凝胶骤冷或逐步降温至-20℃至-196℃，待细菌纤维素水凝胶冻成固体后冷冻干燥，即得细菌纤维素多孔泡沫材料。
实施例3
将经过微生物发酵制备得到的细菌纤维素水凝胶膜用0.5M的氢氧化钠溶液在80℃条件下处理2h，连续处理3次得到细菌纤维素水凝胶膜为乳白色半透明片状胶状体。将细菌纤维素水凝胶膜浸渍入30％(w/v)的过氧化氢溶液平衡24小时以上，然后将H2O2:NaClO2按以下比例(A)5ml:2.5g、(B)5ml:5g、(C)5ml:7.5g、(D)5ml:10g在反应体系中加入亚氯酸钠固体，在温度50℃条件下反应20min，反应后的样品经水洗后在光学显微镜下观察，结果见图6。图6显示，随着亚氯酸钠添加量的提高，50-250μm范围内的孔洞均达到了所有气孔的80％以上。
实施例4
将经过微生物发酵制备得到的细菌纤维素水凝胶膜用0.5M的氢氧化钠溶液在80℃条件下处理2h，连续处理3次得到细菌纤维素水凝胶膜为乳白色半透明片状胶状体。将细菌纤维素水凝胶膜浸渍入30％(w/v)的过氧化氢溶液24小时以上，在反应体系中加入次氯酸钠溶液(次氯酸钠与过氧化氢的质量比为3：1)，在50℃环境中震荡1小时以上，然后将样品取出置于水中反复清洗，获得的样品经光学显微镜观察照相，见图7。图7显示BC膜中250-500μm孔径的气孔占了近80％。
将致孔BC膜和原BC膜在105下烘干，考察两种膜含水率的差异，结果见表1，发现致孔后含水率无明显差异。
表1 多孔BC膜的含水率(105℃下烘干)
实施例5
将经过微生物发酵制备得到的细菌纤维素水凝胶膜用0.5M的氢氧化钠溶液在80℃条件下处理2h，连续处理3次得到细菌纤维素水凝胶膜为乳白色半透明片状胶状体。将细菌纤维素水凝胶膜浸渍入30％(w/v)的过氧化氢溶液24小时以上，在反应体系中加入碘化钾固体(碘化钾与过氧化氢的质量比为0.1:1)，在50℃环境中震荡1小时以上，然后将样品取出置于水中反复清洗。获得的样品的显微镜观察图见图8。将所获得的细菌纤维素水凝胶骤冷或逐步降温至-20℃至-196℃，待细菌纤维素水凝胶冻成固体后冷冻干燥，即得细菌纤维素多孔泡沫材料。
实施例6
将经过微生物发酵制备得到的细菌纤维素水凝胶膜用0.5M的氢氧化钠溶液在80℃条件下处理2h，连续处理3次得到细菌纤维素水凝胶膜为乳白色半透明片状胶状体。将细菌纤维素水凝胶膜浸渍入30％(w/v)的过氧化氢溶液24小时以上，在反应体系中加入氢氧化铁、氯化铁或者高锰酸钾催化剂(催化剂与过氧化氢的质量比为0.5:1)，在50℃环境中震荡1小时以上，然后将样品取出置于水中反复清洗。获得的样品的显微镜观察图见图9。
实施例7
将经过微生物发酵制备得到的细菌纤维素水凝胶膜用0.5M的氢氧化钠溶液在80℃条件下处理2h，连续处理3次得到细菌纤维素水凝胶膜为乳白色半透明片状胶状体。将细菌纤维素水凝胶膜浸渍入30％(w/v)的过氧化氢溶液24小时以上，在反应体系中加入碳酸钠固体(碳酸钠与盐酸的质量比为5:1)，在50℃环境中震荡1小时以上，然后将样品取出置于水中反复清洗，获得的样品的光学显微镜照片见图10。
实施例8
将经过微生物发酵制备得到的细菌纤维素水凝胶膜用0.5M的氢氧化钠溶液在80℃条件下处理2h，连续处理3次得到细菌纤维素水凝胶膜为乳白色半透明片状胶状体。将细菌纤维素水凝胶膜浸渍入30％(w/v)的过氧化氢溶液24小时以上，在反应体系中加入碳酸氢钠固体(碳酸钠与硫酸的质量比为1:1)，在50℃环境中震荡1小时以上，然后将样品取出置于水中反复清洗，获得的样品的光学显微镜照片见图11。将所获得的细菌纤维素水凝胶骤冷或逐步降温至-20℃至-196℃，待细菌纤维素水凝胶冻成固体后冷冻干燥，即得细菌纤维素多孔泡沫材料。
Claims (8)
1.一种细菌纤维素多孔泡沫材料的制备方法，包括：
(1)利用微生物发酵方法制备纳米细菌纤维素水凝胶，经过碱液纯化处理并充分清洗后，得到纯净的细菌纤维素水凝胶；
(2)将上述细菌纤维素水凝胶浸泡于过氧化氢溶液中，在室温下浸渍24h以上；
(3)将上述浸泡有细菌纤维素水凝胶的过氧化氢溶液加热至40～80℃，加入强氧化剂，或在室温下加入催化剂，并均匀反应1h以上；
(4)用水清洗经过步骤(3)处理过的细菌纤维素水凝胶；
(5)将所获得的细菌纤维素水凝胶骤冷或逐步降温至-20℃--196℃，待细菌纤维素水凝胶冻成固体后冷冻干燥，即得细菌纤维素多孔泡沫材料。
2.根据权利要求1所述的一种细菌纤维素多孔泡沫材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的碱液纯化处理具体为采用0.5-1M的氢氧化钠溶液在80℃处理2h，连续处理3次以上。
3.根据权利要求1所述的一种细菌纤维素多孔泡沫材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的过氧化氢溶液的浓度为10％～30％w/v。
4.根据权利要求1所述的一种细菌纤维素多孔泡沫材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的强氧化剂为亚氯酸钠、次氯酸钠、次氯酸钙中的一种或几种，强氧化剂与过氧化氢的质量比为2-4:1。
5.根据权利要求1所述的一种细菌纤维素多孔泡沫材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的催化剂为碘化钾、二氧化锰、氢氧化铁、氯化铁、高锰酸钾、铬酸中的一种或几种，催化剂与过氧化氢的质量比为0.1-0.5:1。
6.根据权利要求1所述的一种细菌纤维素多孔泡沫材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的均匀反应采用超声、振荡或搅拌。
7.根据权利要求1所述的一种细菌纤维素多孔泡沫材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中获得的细菌纤维素水凝胶中均匀散布着直径为0.01-0.8mm气孔。
8.根据权利要求1所述的一种细菌纤维素多孔泡沫材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中获得的细菌纤维素水凝胶中气孔直径随着强氧化剂或催化剂与过氧化氢的质量比增大而减小。
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