CN109608684B - 一种三维形状细菌纤维素及其制备方法与应用 - Google Patents

一种三维形状细菌纤维素及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维形状细菌纤维素及其制备方法与应用，属于高分子材料技术领域。制备方法为利用固体石蜡制作出三维形状的蜡模，将乳化后聚二甲基硅氧烷的预聚物倒在蜡模四周，固化后融去蜡模，形成中空三维PDMS海绵；将能产生细菌纤维素的培养液注入到PDMS海绵中，PDMS海绵内表面贴壁生长细菌纤维素，撕下海绵，即得到中空三维形状细菌纤维素。本发明制备方法工艺简单，所需发酵时间短，图案保真度高，能够形成复杂的中空、无缝的三维细菌纤维素，并兼具良好的生物相容性，是理想的环境友好的生物医学材料。

Description

一种三维形状细菌纤维素及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于高分子材料和生物制造的技术领域，特别涉及一种三维形状细菌纤维素及其制备方法与应用。
背景技术
细菌纤维素是醋酸菌属、土壤杆菌属、根瘤菌属和八叠球菌属等产生的一种纳米纤维素，自然界中含量丰富且可生物降解的天然高分子。由于其耐用性以及在体内低的炎症反应被越来越多地用于医用材料，例如在伤口治疗、血管和器官移植、组织工程支架、药物释放、皮肤给药等方面已取得突破进展，并已应用于临床。此外，在造纸、食品、屏幕和高级音响制品中均已实现规模化生产。
目前已经有部分关于制作三维形状的细菌纤维素生物材料的报道，这些研究有的是利用3D打印，直接打印出三维的细菌纤维素材料或打印含有细菌的复合材料经发酵形成三维的细菌纤维素材料，有的是利用疏水但透气的粉末颗粒涂抹三维模具表面形成一层很薄的透气层，加入细菌培养液过发酵培养细菌而生成三维的纤维素材料。3D打印虽然能够快速形成复杂精细的三维形状的纤维素材料，但是3D打印机价格昂贵，操作复杂。利用疏水透气的粉末制作三维形状的细菌纤维素材料，制作过程复杂，并且形成的三维形状有限。因此本发明提供了一种细菌纤维素有序自组装的新工艺，利用传统失蜡法工艺，能够简单的手工制作各种三维蜡模，然后利用流动性良好的乳化后PDMS预聚液，浇筑形成通气性良好的，且疏水的 PDMS海绵中空、三维模具，利用该模具能够在宏观尺度上控制细菌纤维素纤维的排列，同时能够及时地进行气体交换，满足细菌的快速生长，从而快速、高效地制作高精度的中空、三维细菌纤维素生物材料。
发明内容
本发明解决了现有技术中中空三维细菌纤维素制作工艺复杂以及形成三维形状多样性不足的技术问题。
按照本发明的第一方面，提供了一种中空三维形状水乳化聚二甲基硅氧烷海绵的制备方法，含有以下步骤：
(1)将聚二甲基硅氧烷的预聚物A与固化剂B混合均匀，得到溶液C；
(2)向步骤(1)所得的溶液C中加入有机溶剂，充分混匀后得到溶液D；
(3)向步骤(2)所得的溶液D逐滴滴加水，同时进行搅拌，形成水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物；
(4)将步骤(3)得到的水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物倾倒在三维蜡模的四周；
(5)将步骤(4)中四周倾倒有水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物的三维蜡模先静置固化，然后加热固化；待水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物固化后，将蜡模融化并倒出蜡膜液；再去除所述固化的水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物中的有机溶剂，然后烘干水分，即得到中空三维形状水乳化聚二甲基硅氧烷海绵。
优选地，以步骤(1)所述溶液C、步骤(2)所述有机溶剂以及步骤 (3)所述水的总质量为100％计，步骤(1)所述溶液C的质量占6％-19％；步骤(2)所述有机溶剂的质量占3.8％-13％；步骤(3)所述水的质量占 74％-83％。
优选地，步骤(2)所述的有机溶剂为液体石蜡油或硅油；步骤(1) 所述溶液C、步骤(2)所述的液体石蜡油和步骤(3)所述的水的质量比为(4-6)：(7-8)：(34-36)。
优选地，步骤(5)所述静置固化为在20℃-25℃条件下，静置4h-10h；步骤(5)所述加热固化的温度为60℃-75℃，时间为4h-6h。
优选地，步骤(4)所述三维蜡模为三维固体石蜡或三维固体蜂蜡；步骤(4)所述三维蜡模的熔点为70℃-100℃；步骤(4)所述倾倒在三维蜡模四周的水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物的厚度为1cm-2cm；步骤(4)所述三维蜡模为三维管状蜡膜、三维器官状蜡膜或三维动物形状蜡膜。
按照本发明的另一方面，提供了所述方法制备得到的中空三维形状水乳化聚二甲基硅氧烷海绵。
按照本发明的另一方面，提供了一种中空三维形状细菌纤维素的制备方法，该制备方法为将权利要求6所述的中空三维形状水乳化聚二甲基硅氧烷海绵中注入能产生细菌纤维素的培养液中，待所述培养液发酵培养24 h-120h，在所述中空三维形状水乳化聚二甲基硅氧烷海绵内表面贴壁生长细菌纤维素；撕下水乳化聚二甲基硅氧烷海绵，即得到中空三维形状细菌纤维素。
优选地，在所述中空三维形状水乳化聚二甲基硅氧烷海绵内表面贴壁生长细菌纤维素的厚度为1mm-5mm；所述能产生细菌纤维素的培养液为醋酸菌属细菌培养液、土壤杆菌属细菌培养液、根瘤菌属细菌培养液或八叠球菌属细菌培养液；
优选地，所述能产生细菌纤维素的培养液为葡萄糖醋酸杆菌。
按照本发明的另一方面，提供了所述方法制备得到的中空三维形状细菌纤维素。
按照本发明的另一方面，提供了所述中空三维形状细菌纤维素在血管移植、组织工程支架、器官材料、皮肤给药或药物缓释方面的应用。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
(1)本发明制备的中空的三维形状的水乳化聚二甲基硅氧烷模具海绵具备较高的疏水性与透气性，该预聚体乳化液具有较好的流动性，能够浇筑成各种形状，且由于多孔性能够及时的进行气体交换。在该中空、三维形状的水乳化聚二甲基硅氧烷模具海绵添加含有细菌的细菌培养液，使产生细菌纤维素的细菌生长更快，缩短了发酵时间，得到的中空、无缝三维形状的细菌纤维素材料，该方法具有制作多种的复杂三维形状的潜能、形状保真度高、发酵培养时间短。
(2)本发明公开了一种快速制备中空、无缝三维形状的纤维素生物材料的方法，所述的制备方法简单且高效，制备得到的中空、无缝三维形状的纤维素材料具有保真度高、形状可控等特点，可用于血管与器官移植材料、组织工程支架、药物释放载体，皮肤给药，是具有多种用途的新型生物材料。本发明所述的中空、无缝三维形状的纤维素生物材料的制备工艺简单、高效且环境友好，可大规模应用于生产。
(3)本发明公开了一种快速制作中空、无缝三维形状的纤维素材料的方法。通过利用液体石蜡油乳化方法制作PDMS海绵技术与失蜡法技术的有机结合，在保证模型很好复制的同时，极大地提高了模具的透气性，非常适合细菌纤维素在气液面生成时对气体交换的需要，从而大大缩短了细菌发酵所需的时间，对进一步拓展中空、无缝的三维形状纤维素材料的应用领域提供了新的路径。
附图说明
图1为本发明中空三维模具PDMS海绵的流程图。
图2为三维固体石蜡模型的实物图，分别为卡通大白形状、三维管状和耳朵形状。
图3为实施例3中通过PDMS海绵模具制备得到的中空三维细菌纤维素实物图，分别为卡通大白形状、三维管状和耳朵形状。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1：中空三维形状的聚二甲基硅氧烷(PDMS)模具海绵的制备方法
制备流程如图1所示，包括以下步骤：
(1)三维形状蜡模的制备：将PDMS(Sylgard 184)预聚体和固化剂 (Sylgard 184)按质量比10∶1进行混合并搅拌均匀，利用PDMS硅胶预聚液倒在商业购买的三维实物(耳朵、大白、正方体)四周，65℃加热2 小时，固化后取出实物，形成硅胶模具，将固体石蜡加热融化，倒入PDMS 硅胶模具，冷却形成蜡模。蜡模也可以直接通过手动雕刻焊接出复杂形状。三维蜡模形状可以为卡通大白形象、管状结构、耳朵等，其图案如图2a、图2b和图2c分别为卡通大白形状、三维管状和耳朵形状的蜡模实物。
(2)制备PDMS海绵模具：将PDMS(Sylgard 184)预聚体和固化剂 (Sylgard 184)按质量比10∶1进行混合并搅拌均匀。取PDMS预聚液和固化剂的混合物、水、液体石蜡油三者按质量比5∶35∶7.5进行充分混合搅拌进行乳化。乳化好的水-PDMS乳化液，倾倒于步骤(1)制得的蜡模四周(厚度优选为1-2cm)，先静置固化，再放入65℃的烘箱中加热固化2小时，等PDMS混合物固化后，将蜡模融化去除分离，经酒精清洗除去液体石蜡油，然后在烘箱里烘干除去残留的水分，即得中空、三维的PDMS海绵模具。
实施例2：中空三维细菌纤维素的制备方法
(1)将实施例1得到的中空的三维大白PDMS海绵模具进行灭菌，在空腔室内注入含有葡萄糖醋酸杆菌培养液(优选培养基与菌种体积比为10∶1进行接种)。
(2)将该PDMS模具放在无菌培养箱中培养48h(30℃)，撕开PDMS 海绵模具，即可得到中空无缝的三维形状的纤维素生物材料，如图3a所示，制备得到的中空、无缝的三维大白形象的纤维素材料。
实施例3：中空三维细菌纤维素的制备方法
(1)将实施例1得到的中空的三维耳朵PDMS海绵模具进行灭菌，在空腔室内注入含有葡萄糖醋酸杆菌培养液(优选培养基与菌种体积比为10∶ 1进行接种)。
(2)将该PDMS模具放在无菌培养箱中培养24h(30℃)，撕开PDMS 海绵模具，即可得到中空、无缝的三维形状的纤维素生物材料，如图3c所示，制备得到的中空、无缝的三维耳朵纤维素材料。
实施例4：中空三维细菌纤维素的制备方法
(1)将实施例1得到的中空的三维管状PDMS海绵模具进行灭菌，在空腔室内注入含有葡萄糖醋酸杆菌培养液(优选培养基与菌种体积比为10∶ 1进行接种)。
(2)将该PDMS模具放在无菌培养箱中培养120h(30℃)，撕开PDMS 海绵模具，即可得到中空、无缝的三维形状的纤维素生物材料，如图3b所示，制备得到的中空、无缝的三维管状纤维素材料。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种中空三维形状细菌纤维素的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将聚二甲基硅氧烷的预聚物A与固化剂B混合均匀，得到溶液C；
(2)向步骤(1)所得的溶液C中加入有机溶剂，充分混匀后得到溶液D；
(3)向步骤(2)所得的溶液D逐滴滴加水，同时进行搅拌，形成水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物；
(4)将步骤(3)得到的水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物倾倒在三维蜡模的四周；所述三维蜡模为三维固体石蜡或三维固体蜂蜡；所述三维蜡模的熔点为70℃-100℃；所述倾倒在三维蜡模四周的水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物的厚度为1cm-2cm；并且，所述三维蜡模为三维管状蜡膜、三维器官状蜡膜或三维动物形状蜡膜；
(5)将步骤(4)中四周倾倒有水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物的三维蜡模先静置固化，然后加热固化；待水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物固化后，将蜡模融化并倒出蜡膜液；再去除所述固化的水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物中的有机溶剂，然后烘干水分，即得到中空三维形状水乳化聚二甲基硅氧烷海绵；
(6)将所述步骤(5)得到的所述的中空三维形状水乳化聚二甲基硅氧烷海绵中注入能产生细菌纤维素的培养液中，待所述培养液发酵培养24h-120h，在所述中空三维形状水乳化聚二甲基硅氧烷海绵内表面贴壁生长细菌纤维素；撕下水乳化聚二甲基硅氧烷海绵，即得到中空三维形状细菌纤维素。
2.如权利要求1所述的中空三维形状细菌纤维素的制备方法，其特征在于，在所述中空三维形状水乳化聚二甲基硅氧烷海绵内表面贴壁生长细菌纤维素的厚度为1mm-5mm；所述能产生细菌纤维素的培养液为醋酸菌属细菌培养液、土壤杆菌属细菌培养液、根瘤菌属细菌培养液或八叠球菌属细菌培养液。
3.如权利要求2所述的中空三维形状细菌纤维素的制备方法，其特征在于，所述能产生细菌纤维素的培养液为葡萄糖醋酸杆菌。
4.如权利要求1所述的中空三维形状细菌纤维素的制备方法，其特征在于，以步骤(1)所述溶液C、步骤(2)所述有机溶剂以及步骤(3)所述水的总质量为100％计，步骤(1)所述溶液C的质量占6％-19％；步骤(2)所述有机溶剂的质量占3.8％-13％；步骤(3)所述水的质量占74％-83％。
5.如权利要求1所述的中空三维形状细菌纤维素的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的有机溶剂为液体石蜡油或硅油；步骤(1)所述溶液C、步骤(2)所述的液体石蜡油和步骤(3)所述的水的质量比为(4-6)：(7-8)：(34-36)。
6.如权利要求1所述的中空三维形状细菌纤维素的制备方法，其特征在于，步骤(5)所述静置固化为在20℃-25℃条件下，静置4h-10h；步骤(5)所述加热固化的温度为60℃-75℃，时间为4h-6h。
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