CN106676753B - 抗菌纳米纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种抗菌纳米纤维及其制备方法，该纤维的制备原料主要包括：纳米氧化亚铜、丝素蛋白和聚氧化乙烯。纳米氧化亚铜抗菌作用源于纳米氧化亚铜可与微生物中的SH‑、‑S‑S键反应生成相应的巯基铜化合物，扰乱微生物的生理反应，导致微生物死亡，同时纳米氧化亚铜还具有很强的吸附性能，可以吸附在细菌表面，破环细胞壁和细胞膜，渗透进细胞体内，导致细菌的死亡；聚氧化乙烯可大大增加材料的可纺性，提高纳米纤维的稳定性和纤维的成型性；而丝素蛋白具有良好的透气、透湿性、生物相容性、生物可降解性、无免疫原性等优异的性能，与纳米氧化亚铜和聚氧化乙烯相互作用、相互协同，获得纳米纤维具有优异的抗菌性能、且应用范围广泛。
Description
技术领域
本发明属于抗菌纳米纤维制备领域，具体涉及一种含纳米氧化亚铜、丝素蛋白和聚氧化乙烯的抗菌纳米纤维(膜)及其制备方法。
背景技术
丝素蛋白是由蚕茧脱胶而来，是一种自然界非常丰富的天然蛋白质，具有良好的透气、透湿性、生物相容性、生物可降解性、无免疫原性等优异的性能。已被广泛应用于组织工程领域。静电纺丝素蛋白纳米纤维具有高孔隙率、高比表面积及良好的透湿和透气性能，已成为皮肤组织再生、伤口治愈及护肤保健的优选材料。专利ZL201019063008.1中公开了一种负载有维生素C的丝素蛋白纳米纤维的制备方法，其纤维具有护肤功效。专利ZL201210014384.3中公开了负载维生素E和同时负载维生素A与维生素E的丝素蛋白纳米纤维的制备方法，用于人工皮肤、医用敷料、止血材料、护肤产品等。专利ZL201310301928.9中开了负载维生素C的丝素蛋白/透明质酸复合纳米纤维的制备方法，用于皮肤再生、医用敷料、护肤产品等。
为了防止伤口感染及细菌侵入，赋予丝素蛋白纳米纤维膜具有良好的抗菌性能显得尤为重要。公开号为CN101187089A的专利申请中公开了丝素蛋白与聚乙烯醇共混抗菌纳米纤维及其制备方法，是在丝素蛋白与聚乙烯醇的共混溶液里加入硝酸银溶液进行静电纺丝，然后进行加热处理得到具有抗菌性能的纳米纤维。然而银离子抗菌虽然效果好，但是价格高、成本难以控制，且易变色。
而纳米氧化亚铜是一种新型抗菌剂，相对于银离子，成本低，且无毒，其抗菌作用源于纳米氧化亚铜可与微生物中的SH-、-S-S键反应生成相应的巯基铜化合物，扰乱微生物的生理反应，导致微生物死亡，同时纳米氧化亚铜还具有很强的吸附性能，可以吸附在细菌表面，破环细胞壁和细胞膜，渗透进细胞体内，导致细菌的死亡。
而目前，本领域还没有将纳米氧化亚铜与丝素蛋白相结合、制备一种可纺性好、成本低且环境友好的抗菌纳米纤维的报道。
发明内容
本发明针对现有技术的上述不足，提供一种成本低，操作简单，适合工业化生产，得到的产品可应用于医用伤口敷料、止血材料、防粘连膜、护肤品等的抗菌纳米纤维(膜)。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种抗菌纳米纤维(膜)，该纤维的制备原料主要包括纳米氧化亚铜、丝素蛋白和聚氧化乙烯。
采用上述三种组分作为制备本发明抗菌纳米纤维的主要原料，其中的纳米氧化亚铜是一种新型抗菌剂，相对于银离子，成本低，且无毒，其抗菌作用源于纳米氧化亚铜可与微生物中的SH-、-S-S键反应生成相应的巯基铜化合物，扰乱微生物的生理反应，导致微生物死亡，同时纳米氧化亚铜还具有很强的吸附性能，可以吸附在细菌表面，破环细胞壁和细胞膜，渗透进细胞体内，导致细菌的死亡；其中的聚氧化乙烯可以大大增加材料的可纺性，提高最终纳米纤维的稳定性和纤维的成型性；而丝素蛋白具有良好的透气、透湿性、生物相容性、生物可降解性、无免疫原性等优异的性能，与纳米氧化亚铜和聚氧化乙烯相互作用、相互协同，获得的纳米纤维具有优异的抗菌性能、且应用范围广泛。
作为优选，本发明上述的抗菌纳米纤维，制备该纤维的主要原料的重量比组成为：纳米氧化亚铜0.2-2.5份，丝素蛋白88.0-93.0份，聚氧化乙烯4.5-9.0份。
本发明还提供一种上述抗菌纳米纤维的制备方法，步骤包括：
(1)将纳米氧化亚铜超声分散于水中，然后加入丝素蛋白搅拌混合、溶解得到含纳米氧化亚铜的丝素蛋白溶液；
(2)将聚氧化乙烯溶于水中，搅拌溶解得到聚氧化乙烯溶液；
(3)将含纳米氧化亚铜的丝素蛋白溶液和聚氧化乙烯溶液混合，得到含纳米氧化亚铜、丝素蛋白和聚氧化乙烯的混合溶液；
(4)将步骤(3)获得的含纳米氧化亚铜、丝素蛋白和聚氧化乙烯的混合溶液通过静电纺丝，得到纳米纤维抗菌膜。
本发明步骤(1)制备的含纳米氧化亚铜的丝素蛋白溶液，首先纳米氧化亚铜水溶液的浓度为0.05-0.5％，然后加入的丝素蛋白与纳米氧化亚铜的质量比为40-400:1。
本发明步骤(2)制备的聚氧化乙烯溶液的浓度为2-4％(100克水中加2-4克聚氧化乙烯)。
本发明步骤(2)中聚氧化乙烯的重均分子量为100-150万(由于如果分子量太低，力学强度不够，可纺性差；限定上述重均分子量大小，可以保证本发明的纤维更为稳定的可纺性)。
本发明步骤(3)制备含纳米氧化亚铜的丝素蛋白和聚氧化乙烯混合溶液：将含纳米氧化亚铜的丝素蛋白溶液和聚氧化乙烯溶液混合，得到含纳米氧化亚铜的丝素蛋白和聚氧化乙烯混合溶液。
本发明步骤(3)中含纳米氧化亚铜的丝素蛋白溶液与聚氧化乙烯溶液的体积比优选的可以为1-3：1。
本发明步骤(4)中的静电纺丝参数为：纺丝电压：10-12千伏；纺丝速率：0.5-1.2毫升/小时；接收距离：150-200毫米。
本发明的丝素蛋白虽然可以采用市售产品，但是经过如下步骤自己制备的丝素蛋白，经过使用对比可以发现，相对比于现有市售的具有分子量均一，纺丝效果好的优势，具体的制备过程包括：先将蚕茧加入到Na2CO3的水溶液中、煮沸，此过程重复处理多次；然后用蒸馏水洗净、干燥，得到脱胶后的蚕丝纤维；以CaCl2、C2H5OH、H2O配制三元溶剂，将蚕丝纤维置于70℃的水浴锅内恒温水解，得到完全溶解的棕黄色的蚕丝纤维水解溶液；水解溶液装入透析袋中，用蒸馏水透析，将透析好的蚕丝纤维水解溶液放入－80℃预冻，然后在-58℃冷冻干燥至干，得到白色，疏松的多孔、海绵状的丝素蛋白。
本发明的Na2CO3的水溶液质量浓度可以为0.01-1％；CaCl2、C2H5OH、H2O的摩尔比优选的可以为1:1-3:5-10，进一步的摩尔比为1:2:8。
本发明的优点和有益效果
(1)本发明从仿生细胞外基质的结构出发，加入少量的纳米氧化亚铜抗菌剂，赋予丝素蛋白纳米纤维良好的抗菌性能，可用于医用伤口敷料、止血材料、防粘连膜、护肤品等。
(2)本发明的丝素蛋白的资源丰富，纳米氧化亚铜抗菌剂具有良好的抗菌性能，而静电纺又是制备纳米纤维最简单、最便利的方法，易于实现工业化生产，具有很强的应用价值。
(3)本发明无论是丝素蛋白的提取、还是整个静电纺丝过程中都不涉及任何对环境和人类健康不友好的物质，是纯绿色的生产过程；制备方法简单、无污染、成本低，易控制。
(5)本发明以水为溶剂，采用静电纺丝的方法制备一种含纳米氧化亚铜丝素蛋白/聚氧化乙烯抗菌纳米纤维，能仿生天然细胞外基质的结构，且赋予纳米纤维的抗菌功能，可广泛应用于伤口敷料、防粘连膜、护肤品等。
附图说明
图1为纳米氧化亚铜的扫描电镜照片。
图2为含纳米氧化亚铜的丝素蛋白/聚氧乙烯抗菌纳米纤维(膜)的扫描电镜照片。
具体实施方式
实施例1
先将100克蚕茧加入到1升0.5w/v％Na2CO3水溶液中，煮沸30min，重复处理三次，用蒸馏水充分洗净，洗净后放入45℃的干燥箱中烘干,得到脱胶后的蚕丝纤维；以CaCl2:C2H5OH:H2O＝1:2:8的摩尔比配制三元溶剂，将蚕丝纤维以1:10的浴比，置于70℃的水浴锅内恒温水解1h，得到完全溶解的棕黄色的蚕丝纤维水解溶液；水解液装入透析袋中，用蒸馏水透析72h，将透析好的蚕丝纤维水解溶液放入－80℃预冻12h，然后在-58℃冷冻干燥至干，得到白色，疏松的多孔、海绵状的丝素蛋白；本发明上述步骤制备的丝素蛋白相对比于现有市售的具有分子量均一，纺丝效果好的优势。
将0.05克纳米氧化亚铜粉末(如附图1所示，本发明采用的纳米氧化亚铜的扫描电镜图，该图片充分证实氧化亚铜是纳米级的，如果不是纳米级的，抗菌效果就并不理想)分散于10毫升去离子水中，超声2小时，加入2.0克丝素蛋白搅拌至完全溶解得到丝素蛋白溶液；将0.2克聚氧化乙烯溶于10毫升去离子水中，搅拌至完全溶解，得到质量分数为2.0％的聚氧化乙烯溶液，将10mL含纳米氧化亚铜的丝素蛋白溶液与10mL聚氧化乙烯溶液混合，使两种溶液的质量比为1：1，然后进行静电纺丝，纺丝条件：电压，12千伏；接收距离，150毫米；纺丝速率，0.8毫升/小时，得到平均纤维直径为207-305纳米的抗菌纳米纤维膜。
实施例2
将0.01克纳米氧化亚铜粉末分散于10毫升去离子水中，超声2小时，加入施例一制备的丝素蛋白2.0克搅拌至完全溶解得到丝素蛋白溶液；将0.2克聚氧化乙烯溶于10毫升去离子水中，搅拌至完全溶解，得到质量分数为2.0％的聚氧化乙烯溶液，将10mL含纳米氧化亚铜的丝素蛋白溶液与10mL聚氧化乙烯溶液混合，使两种溶液的质量比为1：1，然后进行静电纺丝，纺丝条件：电压，12千伏；接收距离，150毫米；纺丝速率，0.8毫升/小时，得到平均纤维直径为289±70纳米的抗菌纳米纤维膜。
实施例3
将0.005克纳米氧化亚铜粉末分散于10毫升去离子水中，超声2小时，加入施例一制备的丝素蛋白2.0克搅拌至完全溶解得到体积质量分散为20.0％的丝素蛋白溶液；将0.2克聚氧化乙烯溶于10毫升去离子水中，搅拌至完全溶解，得到质量分数为2.0％的聚氧化乙烯溶液，将10mL含纳米氧化亚铜的丝素蛋白溶液与10mL聚氧化乙烯溶液混合，使两种溶液的质量比为1：1，然后进行静电纺丝，纺丝条件：电压，12千伏；接收距离，150毫米；纺丝速率，0.8毫升/小时，得到平均纤维直径为337±62纳米的抗菌纳米纤维膜。
抗菌实验前，抗菌纳米纤维膜用75％的乙醇蒸汽处理，既使丝素蛋白的构象有无规结构(溶于水)转变成β-折叠结构(不溶于水)，又起到灭菌的作用。不含纳米氧化亚铜的丝素蛋白/聚氧化乙烯纳米纤维膜作为对照样。采用GB 15979-2002一次性使用卫生用品卫生标准，检测上述实施例制备的含一种含纳米氧化亚铜丝素蛋白/聚氧化乙烯抗菌纳米纤维膜的抗菌性能指标。结果如表1.附录C5非溶出性抗(抑)菌产品性能试验方法。抑菌率的计算：X＝(A–B)/A*100％。式中：X—抑菌率(％)，A—被试样品振荡前平均菌落数；B—被试样品振荡后平均菌落数。评价标准：不加样片组的菌落数在1*104-9*104cfu/mL之间，且样品振荡前后平均菌落数差值在10％以内，试验有效；被试样片组抑菌率与对照样片组抑菌率的差值＞26％，产品具有抗菌作用。
表1本发明实施例含纳米氧化亚铜的丝素蛋白/聚氧化乙烯复合纳米纤维膜的抗菌性能
从上表可知，本发明的纳米纤维具有有益的抗菌作用；此外，如附图2所示，为本发明实施例制备的抗菌纳米纤维的扫描电镜照片，从该图片可以证实本发明制备的是纳米纤维膜，该纳米纤维膜能仿生天然细胞外基质的结构，具有大的比表面积、高的孔隙率。具有良好的透气、透湿性，有利于伤口的愈合。
Claims (7)
1.一种抗菌纳米纤维的制备方法，其特征在于：该纤维的制备原料包括：纳米氧化亚铜、丝素蛋白和聚氧化乙烯，原料的重量比组成为：纳米氧化亚铜 0.2-2.5份， 丝素蛋白88.0-93.0份， 聚氧化乙烯4.5-9.0份；
所述的丝素蛋白的制备方法为：先将蚕茧加入到Na2CO3的水溶液中、煮沸，此过程重复处理多次；然后用蒸馏水洗净、干燥，得到脱胶后的蚕丝纤维；以CaCl2、C2H5OH、H2O配制三元溶剂，将蚕丝纤维置于70℃的水浴锅内恒温水解，得到完全溶解的棕黄色的蚕丝纤维水解溶液；水解溶液装入透析袋中，用蒸馏水透析，将透析好的蚕丝纤维水解溶液放入－80℃预冻，然后在-58℃冷冻干燥至干，得到白色，疏松的多孔、海绵状的丝素蛋白;
该纤维的制备步骤包括：
（1）将纳米氧化亚铜超声分散于水中获得纳米氧化亚铜水溶液，然后加入丝素蛋白搅拌混合、溶解得到含纳米氧化亚铜的丝素蛋白溶液；
（2）将聚氧化乙烯溶于水中，搅拌溶解得到聚氧化乙烯溶液；
（3）将含纳米氧化亚铜的丝素蛋白溶液和聚氧化乙烯溶液混合，得到含纳米氧化亚铜、丝素蛋白和聚氧化乙烯的混合溶液；
（4）将步骤（3）获得的含纳米氧化亚铜、丝素蛋白和聚氧化乙烯的混合溶液通过静电纺丝，得到纳米纤维抗菌膜。
2.根据权利要求1所述的抗菌纳米纤维的制备方法，其特征在于：步骤（1）制备的含纳米氧化亚铜的丝素蛋白溶液，首先纳米氧化亚铜水溶液的浓度为0.05-0.5%，然后加入的丝素蛋白与纳米氧化亚铜的质量比为40-400:1。
3.根据权利要求1所述的抗菌纳米纤维的制备方法，其特征在于：步骤（2）制备的聚氧化乙烯溶液的浓度为2-4%。
4.根据权利要求1所述的抗菌纳米纤维的制备方法，其特征在于：步骤（2）中聚氧化乙烯的重均分子量为100-150万。
5.根据权利要求1所述的抗菌纳米纤维的制备方法，其特征在于：步骤（3）制含纳米氧化亚铜的丝素蛋白溶液与聚氧化乙烯溶液的体积比为 1-3：1。
6.根据权利要求1所述的抗菌纳米纤维的制备方法，其特征在于：步骤（4）中的静电纺丝参数为：纺丝电压：10-12千伏；纺丝速率：0.5-1.2毫升/小时；接收距离：150-200毫米。
7.根据权利要求1所述的抗菌纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述的Na2CO3的水溶液质量浓度为0.01-1%；CaCl2、C2H5OH、H2O的摩尔比为1:1-3:5-10。
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