CN110124098A - 一种细菌纤维素/海藻酸钠/聚乙烯醇复合抗菌敷料及其制备方法 - Google Patents

一种细菌纤维素/海藻酸钠/聚乙烯醇复合抗菌敷料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种细菌纤维素/海藻酸钠/聚乙烯醇复合抗菌敷料及其制备方法，所述复合抗菌敷料具有海藻酸钠、聚乙烯醇与细菌纤维素形成的三维互穿网络结构，硼酸均匀扩散在网络内部。制备方法包括将细菌纤维素膜浸渍在海藻酸钠/聚乙烯醇混合液后，与硼酸/氯化钙交联固定。本发明材料安全性高并具有广谱抗菌性，制备方法对海藻酸钠、聚乙烯醇、氯化钙及硼酸的需求量低，复合均匀高效、绿色环保且不会对细菌纤维素的空间结构造成破坏，具有良好的应用前景。

Description

一种细菌纤维素/海藻酸钠/聚乙烯醇复合抗菌敷料及其制备 方法
技术领域
本发明属于医用复合材料领域，特别涉及一种细菌纤维素/海藻酸钠/聚乙烯醇复合抗菌敷料及其制备方法。
背景技术
近年来，创伤已成为继心血管疾病、癌症之后的第三大致死病因，而皮肤创伤作为创伤的重要分支，其有效治愈问题日益突出。敷料是临床上广泛使用的一种用以治疗皮肤创伤的医用材料。传统使用的敷料主要包括纱布、绷带、水凝胶类敷料、泡沫类敷料等。敷料如果能为创伤部位提供一个无菌的环境将降低感染率，加快创伤的愈合。因此，具有抗菌功能的敷料受到了人们关注，并开发出了一些新型抗菌敷料，如复合银离子和天然有机抗菌剂等。但这些抗菌敷料具有一定的局限性，如重金属对人体有毒害作用，而其他抗菌剂不具广谱抗菌性等。
细菌纤维素(Bacterial cellulose,BC)是指在一定条件下，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纤维素的统称。与植物纤维素相比较，他们具有相同的分子结构单元，但细菌纤维素具有很多独特的性质，如纳米级三维网状结构，超强的持水性，纯度高，不含木质素和半纤维素、结晶度高，弹性模量高和抗张强度高，良好的生物相容性和可降解性等，已广泛应用于食品、造纸、音响膜、医学材料等各个领域。作为创口敷料，细菌纤维素能为创伤部位提供一个湿润的环境，促进伤口愈合，减轻疼痛且不留痂，同时不会和创口粘连，避免换药时产生二次伤害。
海藻酸钠(Sodium alginate，SA)即海藻酸的钠盐，是从褐藻类的海带或马尾藻中提取的一种多糖碳水化合物，毒性低、生物相容性和降解性好、价格便宜且来源广泛，是一种被广泛使用的药用天然高分子材料。作为伤口敷料，海藻酸钠具有极高的吸湿性能，可吸收相当于自身重量的11倍液体；海藻酸钠接触伤口渗液释放Ca2+，能促进凝血酶原激活物的形成，加速血凝过程，具有良好的止血性；同时吸收伤口渗出液，与渗液发Na+/Ca2+离子交换，在创口表面形成一层稳定的网状凝胶，为伤口营造一个利于组织生长的微环境(微酸、无氧或低氧、适度湿润)；微酸、无氧或低氧、适度湿润的伤口环境促进生长因子释放，刺激细胞增殖，提高表皮细胞的再生能力和细胞移动，促进伤口愈合，有利于减少局部疼痛和疤痕形成。
聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)，白色片状、絮状或粉末状固体，无味。溶于水(95℃以上)，微溶于二甲基亚砜，不溶于汽油、煤油、植物油、苯、甲苯等。聚乙烯醇的毒性较低且具有一定的生物可降解性与良好的成膜性，通过反复冻融的物理交联过程可制备成水凝胶材料，具有很好的弹性，与人体软组织的机械力学性能相近，被广泛用于医用敷料、人工血管和软骨组织工程支架等。
硼酸(Boric Acid，BA)一种路易斯酸，白色粉末状结晶，有滑腻手感，无臭味。由于硼酸能够破坏细菌蛋白质的形成，影响丝氨酸蛋白酶、β-内酰胺酶、氨基酰基-tRNA合成酶的活性，对多种细菌、霉菌均有抑制作用，因此在临床常作为外用杀菌剂、硼酸软膏、消毒剂、收敛剂和防腐剂。临床上将3％的硼酸洗液作为消毒防腐药，用于冲洗小面积创面与粘膜面，能有效抑菌从而促进创面愈合，价格便宜。
CN107496975公开了一种具有光响应性抗菌的聚乙烯醇/海藻酸钠载药水凝胶敷料及其制备方法，CN109369948公开了一种细菌纤维素聚乙烯醇抗菌水凝胶及其制备方法和应用。然而这些技术和所制备的材料仍存在一些问题，如材料刚性较大，不利于贴附皮肤；非药用交联剂(如戊二醛等)的使用不利于创面愈合；材料缺乏抗菌性能，创口易受到细菌感染等。目前尚无细菌纤维素/海藻酸钠/聚乙烯醇的相关专利与文献资料。
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/海藻酸钠/聚乙烯醇复合抗菌敷料及其制备方法，利用硼酸广谱抗菌剂与交联剂的双重性能，将其以旋转浸渍的方式包裹在细菌纤维素/海藻酸钠/聚乙烯醇复合水凝胶中，并以氯化钙交联，使复合敷料的力学性能和持水能力增强，同时其具有的广谱抗菌性能够加速伤口的愈合。
本发明提供了一种细菌纤维素/海藻酸钠/聚乙烯醇复合抗菌敷料，所述复合抗菌敷料具有海藻酸钠、聚乙烯醇与细菌纤维素形成的三维互穿网络结构，硼酸均匀扩散在网络内部。
本发明还提供了一种细菌纤维素/海藻酸钠/聚乙烯醇复合抗菌敷料的制备方法，包括：
将细菌纤维素膜浸泡到海藻酸钠/聚乙烯醇混合溶液中，置于旋转蒸发仪中，浸渍1-2小时，取出，用去离子水清洗后，放入硼酸/氯化钙混合溶液中浸渍1-2小时，取出，漂洗，得到细菌纤维素/海藻酸钠/聚乙烯醇复合抗菌敷料。
所述细菌纤维素膜通过以木醋杆菌为菌种，经液体培养基恒温静置培养后，置于氢氧化钠溶液中，在70～90℃下处理2～4h后取出，用去离子水漂洗至中性后获得。
所述海藻酸钠/聚乙烯醇混合溶液中海藻酸钠的浓度为0.5％～0.1％，聚乙烯醇的浓度为2％～3％。
所述硼酸/氯化钙混合溶液中硼酸的浓度为2.5％～3.5％，氯化钙的浓度为0.75％～1.5％。
所述旋转蒸发仪的压力为0.02～0.05MPa，温度为40～50℃，转速60～150转/分钟。
所述旋转蒸发仪连接水循环真空泵，为其提供低压。
本发明中硼酸作为具有广谱效应的抗菌剂，价格便宜，性能稳定。同时，硼酸可与聚乙烯醇发生反应，可以使复合敷料的抗菌性能达到缓慢释放的效果，降低了频繁更换敷料的高昂成本。同时，海藻酸钠和聚乙烯醇与细菌纤维素形成的三维互穿网络结构增加了敷料的力学性能和持水性能。
有益效果
(1)本发明主要原料为细菌纤维素、海藻酸钠和聚乙烯醇，均为健康环保高分子材料，对人体没有毒副作用，不含对人体有害的化学物质。海藻酸钠有止血性能，硼酸具有广谱抗菌性，与聚乙烯醇反应后能在创伤表面达到缓释的效果，对人体安全温和的抑菌效应和明显的促愈效果让复合水凝胶应用于抗菌敷料具有非常大的前景。实际应用中复合水凝胶可根据伤口的情况和特点任意剪裁成各种形状，不粘连也不刺激皮肤，安全环保，丢弃后在环境中能迅速降解，可作为一种性能良好且绿色环保的功能性抗菌敷料。
(2)本发明制备方法简单易行，对海藻酸钠、聚乙烯醇、硼酸的需求量少，复合均匀高效，耗时短，与浸渍法比较优势明显，且不会对细菌纤维素的空间结构造成破坏；增加了敷料的力学性能和持水能力，绿色环保，成本低廉，可工业化生产，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为BC和三种复合抗菌水凝胶的表面及横断面的FE-SEM形貌观察(20000×)；其中，A-D为表面；A1-D1为横断面；
图2为复合抗菌敷料(海藻酸钠/聚乙烯醇/细菌纤维素)与空白对照(BC)对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌所形成的抑菌圈；
图3为振荡稀释法30万倍时纯细菌纤维素组和复合抗菌水凝胶(海藻酸钠/聚乙烯醇/细菌纤维素)的大肠杆菌及金黄色葡萄球菌数量；
图4为纯细菌纤维素、海藻酸钠/细菌纤维素、聚乙烯醇/细菌纤维素、海藻酸钠/聚乙烯醇/细菌纤维素复合抗菌水凝胶的红外图谱；
图5为纯细菌纤维素、海藻酸钠/细菌纤维素、聚乙烯醇/细菌纤维素、海藻酸钠/聚乙烯醇/细菌纤维素复合抗菌水凝胶的力学性能表征图；
图6为纯细菌纤维素、海藻酸钠/细菌纤维素、聚乙烯醇/细菌纤维素、海藻酸钠/聚乙烯醇/细菌纤维素复合抗菌水凝胶的吸水率曲线图；
图7为纯细菌纤维素、海藻酸钠/细菌纤维素、聚乙烯醇/细菌纤维素、海藻酸钠/聚乙烯醇/细菌纤维素复合抗菌水凝胶的吸水率曲线图；
图8为纯细菌纤维素、海藻酸钠/细菌纤维素、聚乙烯醇/细菌纤维素、海藻酸钠/聚乙烯醇/细菌纤维素复合抗菌水凝胶通过振荡共培养法测定其细菌生长活力，其中A为大肠杆菌，B为金黄色葡萄球菌；
图9为纯细菌纤维素、海藻酸钠/细菌纤维素、聚乙烯醇/细菌纤维素、海藻酸钠/聚乙烯醇/细菌纤维素复合抗菌水凝胶的全血凝固实验图。
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
(1)以木醋杆菌为菌种，经液体培养基恒温静置培养7天后，取出细菌纤维素膜置于氢氧化钠溶液中，在80℃下处理2h后取出，用去离子水漂洗至中性后获得细菌纤维素膜；剪裁成1.5×1.5cm的方形小块，浸泡于海藻酸钠/聚乙烯醇混合溶液中，海藻酸钠浓度为0.75％，聚乙烯醇浓度为2.5％；
(2)将细菌纤维素/海藻酸钠/聚乙烯醇溶液置于旋转蒸发仪上，设置温度50℃，压力0.04MPa，转速100转/分钟，4小时后取出，得到细菌纤维素/海藻酸钠/聚乙烯醇复合水凝胶；
(3)将步骤(2)中得到的细菌纤维素/海藻酸钠/聚乙烯醇复合水凝胶用去离子水冲洗后置于硼酸/氯化钙混合溶液中，其中硼酸浓度为3％，氯化钙浓度为1％，浸泡2小时；
(4)将步骤(3)得到的细菌纤维素/海藻酸钠/聚乙烯醇抗菌复合水凝胶取出，漂洗，得到细菌纤维素/海藻酸钠/聚乙烯醇复合抗菌敷料。
实施例2
(1)以木醋杆菌为菌种，经液体培养基恒温静置培养7天后，取出细菌纤维素膜置于氢氧化钠溶液中，在80℃下处理2h后取出，用去离子水漂洗至中性后获得细菌纤维素膜；剪裁成1.5×1.5cm的方形小块，20块/100ml，浸泡于海藻酸钠溶液中，海藻酸钠浓度为0.75％；
(2)将步骤(1)得到的块状BC浸泡于海藻酸钠溶液中，并于旋转蒸发仪中加热低压旋转，设置温度50℃，压力0.04MPa，转速100转/分钟，4小时后取出，得到细菌纤维素/海藻酸钠复合水凝胶；
(3)将步骤(2)中得到的细菌纤维素/海藻酸钠复合水凝胶用去离子水冲洗2-3遍，置于氯化钙/硼酸混合溶液中，其中，氯化钙浓度为1％，硼酸浓度为3％，浸泡2小时；
(4)将步骤(3)得到的细菌纤维素/海藻酸钠抗菌复合水凝胶取出，灭菌即可。
实施例3
(1)以木醋杆菌为菌种，经液体培养基恒温静置培养7天后，取出细菌纤维素膜置于氢氧化钠溶液中，在80℃下处理2h后取出，用去离子水漂洗至中性后获得细菌纤维素膜；剪裁成1.5×1.5cm方形小块，浸泡于聚乙烯醇溶液中，20块/100ml，聚乙烯醇浓度为2.5％；
(2)将细菌纤维素/聚乙烯醇溶液置于旋转蒸发仪上，设置温度50℃，压力0.04MPa，转速100转/分钟，4小时后取出，得到细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶；
(3)将步骤(2)中得到的细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶用去离子水冲洗后置于硼酸溶液中，其中硼酸浓度为3％，浸泡2小时；
(4)将步骤(3)得到的细菌纤维素/聚乙烯醇抗菌复合水凝胶取出，灭菌即可。
由图1可以看出，水凝胶的断面和表面均保持了细菌纳米纤维素良好的三维纳米结构，纤维脉络清晰，不同大小的纤维丝结构交错形成网络状孔隙直径不一的水凝胶。B和B1为海藻酸钠复合BNC的水凝胶形貌，与A和A1相比可以明显看出，海藻酸钠进入到了BNC结构内部，且均匀稳定地与BNC纤维连接，形成了类似“面网”状的结构，纤维之间的部分孔隙被SA填补，复合抗菌水凝胶的内部形成了比较致密的孔隙结构。C和C1为聚乙烯醇复合BNC的形貌表结构，从表面和断面能明显地看出PVA与BNC紧密稳定结合，PVA以小叶片状均匀地分布在BNC的内部和表面，复合抗菌水凝胶的孔隙孔径变小，纤维结构更致密。D和D1为SA/PVA/BNC复合抗菌水凝胶的FE-SEM结构，对比可以看出，海藻酸钠与聚乙烯醇两种高分子材料均与细菌纳米纤维素稳定结合，形成了比BNC更为致密的网络结构，PVA以小片状嵌入BNC中，SA以网面状附着于BNC上，既保留了三维纳米结构，又提高了BNC的应用性能。
由图2和图3可以看出，复合抗菌水凝胶能有效抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长。其原因可能是由于复合水凝胶中硼酸缓释影响，因为硼酸作为广谱抗菌剂其抑菌效果已得到证实，且已在临床中长期应用。
由图4可以看出，复合抗菌水凝胶保留了每种材料各自的特征峰，表明各组材料成功复合且结构未被破坏。其中，在1030cm-1有新的吸收峰产生，经查证为PVA和硼酸交联产生的新特征峰，即为B-O-C键的伸缩振动。
由图5可以看出，SA和PVA的复合，显著增加了BNC的断裂强度，尤其PVA的加入，大大增加了水凝胶的致密度，孔隙直径从空疏变得紧凑，从而使复合抗菌水凝胶的断裂强度加倍，从0.176MPa提升为0.302MPa,SA/PVA/BNCA的断裂强度提升了三倍多。对于断裂伸长率，由于海藻酸钠与氯化钙交联，聚乙烯醇与硼酸交联，使BNC基体的三维孔径被填满，复合抗菌水凝胶整体孔隙率下降，因此杨氏模量变小，脆性增加，断裂伸长率下降，这也在一定程度上缓解了敷料更换时与皮肤粘连产生的痛苦。
由图6可以看出，在36h左右水凝胶的吸水率几乎达到了最大值，其中，BNC为85.48％，SA/BNC，PVA/BNC，SA/PVA/BNC的吸水率分别为59.18％，78.1％,67.98％。根据其吸水率趋势可以看出，复合抗菌水凝胶的持水性能整体表现为孔隙率越大，持水性能越高，材料越致密，持水性能越稳定，吸收的水分越少。复合高分子由于孔隙率变小，在一定程度上降低了BNC的吸水率，但最低的SA/BNC吸水率仍大于50％，其吸水性能可以满足实际需求。
由图7可以看出，纯BNC的给水性能最好，在24h达到58.87％。SA/BNC，PVA/BNC，SA/PVA/BNC三种复合抗菌水凝胶的给水率在24h时分别为47.76％，50.99％，46.16％。整体表现为水凝胶孔径越大，越疏松，给水率越好。由于复合抗菌水凝胶的表面覆盖了海藻酸钠及聚乙烯醇，内部填充着两种高分子和硼酸，使得水分子穿过BNC的通道变窄，水分子的脱离变得困难，因此，复合抗菌水凝胶的给水性能相较纯BNC有所下降。由于海藻酸钠与氯化钙交联以及聚乙烯醇与硼酸通过发生化学反应交联，使得BNC内部发生了微小的结构和孔隙的变化，故而三种复合抗菌水凝胶的给水率表现为PVA/BNC>SA/BNC>SA/PVA/BNC。
由图8可以看出，在7.5小时培养过程中，与纯BNC共振荡培养的细菌生长活力随时间变化逐渐增强，且生长率非常高。与纯BNC相比较，SA/BNC、PVA/BNC、SA/PVA/BNC振荡共培养的大肠杆菌及金黄色葡萄球菌在测试时间内都呈现出生长活力逐步减弱的趋势，从细菌生长曲线的斜率可以看出，大肠杆菌的减弱程度大于金黄色葡萄球菌，这与抑菌圈的大小相吻合。
由图9可以看出，BNC、SA/BNC、PVA/BNC、SA/PVA/BNC四种水凝胶的促凝血效果有很大差别。吸光度随时间逐渐降低，促凝血效果顺序为BNC<SA/BNC<PVA/BNC<SA/PVA/BNC。0分钟时，BNC的吸光度最高，为0.3011，SA/PVA/BNC的吸光度最小(为0.0773)，促凝血效果在四个水凝胶中最好。到60分钟时，四种抗菌水凝胶的吸光度均已低到0.05-0.1之间。其中，SA/PVA/BNC在10分钟左右吸光度就已降低为0.0339。优异的促凝血性能与复合材料中海藻酸钙密切相关，其促凝血性已得到广泛证实并已在临床中得到应用。

Claims (6)

1.一种细菌纤维素/海藻酸钠/聚乙烯醇复合抗菌敷料，其特征在于：所述复合抗菌敷料具有海藻酸钠、聚乙烯醇与细菌纤维素形成的三维互穿网络结构，硼酸均匀扩散在网络内部。
2.一种细菌纤维素/海藻酸钠/聚乙烯醇复合抗菌敷料的制备方法，包括：
将细菌纤维素膜浸泡到海藻酸钠/聚乙烯醇混合溶液中，置于旋转蒸发仪中，浸渍1-2小时，取出，用去离子水清洗后，放入硼酸/氯化钙混合溶液中浸渍1-2小时，取出，漂洗，得到细菌纤维素/海藻酸钠/聚乙烯醇复合抗菌敷料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述细菌纤维素膜通过以木醋杆菌为菌种，经液体培养基恒温静置培养后，置于氢氧化钠溶液中，在70～90℃下处理2～4h后取出，用去离子水漂洗至中性后获得。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述海藻酸钠/聚乙烯醇混合溶液中海藻酸钠的浓度为0.5％～0.1％，聚乙烯醇的浓度为2％～3％。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述硼酸/氯化钙混合溶液中硼酸的浓度为2.5％～3.5％，氯化钙的浓度为0.75％～1.5％。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述旋转蒸发仪的压力为0.02～0.05MPa，温度为40～50℃，转速60～150转/分钟。
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