CN111514031A - 生物纤维组合物 - Google Patents

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Abstract

一种生物纤维组合物，包括具有20至30纳米直径及2000至3000纳米长度的多根生物纤维，可有效提高物质吸收及传输效率且具良好的生物相容性。

Description

生物纤维组合物
技术领域
本发明涉及一种生物纤维组合物，尤其涉及一种提高物质吸收及传输效率的生物纤维组合物。
背景技术
生物纤维(Biocellulose)是指微生物利用培养液中的碳源于细胞内合成β-1,4-葡聚糖链(β-1,4-glucan chain)后经胞外分泌排出的纤维。由于该生物纤维具有良好的亲水性、高机械强度及高生物相容性等特性，于医疗领域的伤口敷料及化妆用品的领域可见此生物纤维应用，有助于肌肤表层的水气、气体通透及分泌物的吸收。
一般的生物纤维的生成主要有搅拌式发酵培养与静置发酵培养，所制得的层状或块状的生物纤维再接续纯化、灭菌及添加活性成分等加工程序，形成膜状块材为后端产品的应用。
近来，为突破其产品的应用形态局限，开发出以机械处理分解该层状或块状的生物纤维材料，制成一连续介质，增加生物纤维的接触面积，使该生物纤维的吸收及传输效率倍增，TW I586373即描述此相关技术。然而，在粉碎分解过程该生物纤维的比表面积提高，伴随着其处理的粘度攀升，使处理难度增加，致使生物纤维粉碎至一定程度则无法再作提升，而TW I586373的工艺教示以均质方式粉碎该生物纤维材料，此在实际应用上易有物料堵塞的问题，纵使以稀释均质液浓度缓解该问题，亦无法再提升该生物纤维的剪切破碎程度，对利用其比表面积以达到经皮吸收及传输物质的效果有限。
有鉴于此，有必要提出一种可有效提高物质吸收及传输效率的生物纤维组合物及稳定制造该生物纤维组合物的方法，以解决已知技术所存在的问题。
发明内容
为解决上述的问题，本发明提供一种生物纤维组合物，包括具有20至30纳米直径及2000至3000纳米长度的多根生物纤维。由于该多根生物纤维的表面分布有羟基能形成氢键作用力，可提供该生物纤维组合物具有良好的稳定性。
于一些具体实施方案中，该生物纤维的直径可为20、21、22、23、24、25、26、27、28、29及30纳米，长度可为2000、2100、2200、2300、2400、2500、2600、2700、2800、2900及3000纳米。
于一具体实施方案中，该生物纤维的平均直径为20纳米，且其平均长度为2000纳米。
应用本发明的生物纤维组合物成为一涂敷于肌肤表层的产品时，则该生物纤维的稳定性能延长活性成分与肌肤的接触时间，且该生物纤维组合物的比表面积高，与皮肤表面或其毛孔更服贴，故能提高生物纤维与肌肤的接触面积，使肌肤表层的经皮吸收及物质传输效率有效提升，提供肌肤保湿、抗炎、抗老化、提升皮肤弹性及吸收分泌油脂等功能。此外，于涂敷时，使用者不会有粘腻感及刺激性产生，优于市售的生物纤维膜状块材。
另一方面，应用本发明的生物纤维组合物成为一农业用肥料，则该生物纤维的稳定性能防止土壤板结，发挥良好的储水及释水效果，并达到促进植物或农作物生长的作用。
所述的生物纤维组合物具有较高的比表面积，通过该生物纤维组合物的高比表面积及其表面的羟基所提供的氢键作用力，进一步提升上述生物纤维组合物的亲水性、稳定性及生物相容性。
于一具体实施方案中，本发明的生物纤维组合物呈凝固锭形态，所述凝固锭状的生物纤维组合物经冷冻干燥处理后而成。具体地说，该制品可经低温冻结、低温低压抽气以及脱附的过程制成凝固锭，使整体制品的稳定度提高，且不易变质，并能利用其生物纤维优异的复水性，方便使用者快速施用。换言之，该生物纤维组合物不包括液态介质，且于呈凝固锭形态的该生物纤维组合物中添加1毫升水以形成混合物后，该混合物中的生物纤维含量为大于0.4重量％至1.2重量％，以提供较佳的分散速率。具体实施上，于呈凝固锭形态的该生物纤维组合物中添加1毫升水后，该生物纤维组合物中的该多根生物纤维的含量可例如为大于0.4重量％或0.5重量％、0.6重量％、0.7重量％、0.8重量％、0.9重量％、1.0重量％、1.1重量％及1.2重量％。
所述凝固锭状的生物纤维组合物分散于0.1毫升水中时的OD620值为大于0.29至1.22，例如OD620值为0.295至1.22。此OD620值，是指于620nm的光波长下测得的光密度，且所述凝固锭状的生物纤维组合物分散于0.1毫升水中时的OD620值亦可例如，0.295、0.30、0.43、0.53、0.54、0.65、0.76、0.88、0.96、0.98、1.00、1.13、1.14、1.21及1.22。于一具体实施方案中，该OD620值为0.43至1.22。
于另一实施方案中，本发明的生物纤维组合物呈液态，而且还包括液态介质，例如，该液态介质为水。
所述液态生物纤维组合物具有良好的流动性，且利用该生物纤维组合物的高比表面积，提升活性合份或药物的扩散及溶出效果。此外，将此含有水的生物纤维组合物分散于0.1毫升水中时，亦可得OD620值为0.43至1.22。例如，0.43、0.53、0.54、0.65、0.76、0.88、0.96、0.98、1.00、1.13、1.14、1.21及1.22。于一具体实施方案中，该OD620值为0.43至1.22。
于本发明呈液态的生物纤维组合物的组成中，以该生物纤维组合物的总重量计，该多根生物纤维的含量为大于0.2至1.2重量％。若该多根生物纤维的含量低于0.2重量％，由于多根生物纤维无法提供足够的羟基影响液态介质的界面张力，液态介质与多根生物纤维易受内聚力影响而凝聚，产生分层现象，不利于混合。若该多根生物纤维的含量高于1.2重量％，则对应用效果已无实质助益，徒增资源浪费。根据本发明，于本发明的生物纤维组合物的组成中，以该生物纤维组合物的总重量计，该多根生物纤维的含量可例如为大于0.2重量％或0.3重量％、0.4重量％、0.5重量％、0.6重量％、0.7重量％、0.8重量％、0.9重量％、1.0重量％、1.1重量％及1.2重量％。
此外，于一具体实施方案中，该生物纤维组合物与封口腊膜(Parafilm)表面的接触角为95.5°至小于107°。本文所述的接触角范围95.5°至小于107°是指该生物纤维组合物含有水，并将该含水的生物纤维组合物滴于封口腊膜表面，测量接触角三次，取平均值而得接触角平均值为95.5°至小于107°。倘若以单次测量来看，该生物纤维组合物与封口腊膜表面的接触角可低至89.964°，且达107°。
本发明还提供一种生物纤维组合物，包括具有长径比(纳米/纳米)为66至150的多根生物纤维，且该生物纤维组合物分散于0.1毫升水中时的OD620值为大于0.29至1.22。
根据本发明，该生物纤维组合物可不包括液态介质，而呈凝固锭形态，且于呈凝固锭形态的该生物纤维组合物中添加1毫升水以形成混合物后，该混合物中的生物纤维含量为大于0.4重量％至1.2重量％，以提供较佳的分散速率。具体实施上，于呈凝固锭形态的该生物纤维组合物中添加1毫升水以形成混合物后，该混合物中的该多根生物纤维的含量可例如为大于0.4重量％或0.5重量％、0.6重量％、0.7重量％、0.8重量％、0.9重量％、1.0重量％、1.1重量％及1.2重量％。当然，该生物纤维组合物亦可包括液态介质，例如水。再者，具有长径比(纳米/纳米)为66至150的多根生物纤维的生物纤维组合物中，以该生物纤维组合物的总重量计，该多根生物纤维的含量为大于0.2至1.2重量％。此外，生物纤维组合物与封口腊膜(Parafilm)表面的接触角为95.5°至小于107°。
所述的多根生物纤维由包括选自葡糖醋杆菌属(Gluconacetobacter)、醋杆菌属(Acetobacter)、根瘤菌属(Rhizobium)、八叠球菌属(Sarcina)、假单胞菌属(Pseudomonas)、无色杆菌属(Achromobacter)、产碱杆菌属(Alcaligenes)、肠杆菌属(Enterobacter)、固氮菌属(Azotobacter)及农杆菌属(Agrobacterium)所组成组中的至少一种的细菌形成。
于一具体实施方案中，该多根生物纤维由葡糖醋杆菌属的菌种经发酵所合成，尤其选择木葡糖醋杆菌(Gluconacetobacter xylinum)，其特色在于容易控制所得的生物纤维粗细程度。
本发明的生物纤维组合物还可包括有机物养分、活性成分或药物，且该多根生物纤维的存在不影响所述的有机物养分、活性成分或药物的特性及活性。
于一具体实施方案中，该有机物养分包括经榨油后或经粉碎后的废弃作物及动物排泄物。通过添加有机物养分于生物纤维组合物中，可将生物纤维组合物用于农业用途，作为肥料，以稳定均衡地输送养分。
于一具体实施方案中，该活性成分为保湿成分、美白成分、抗皱成分、去角质成分、抗炎成分、生长因子或酶。
所述生物纤维组合物还可包括其他此领域中惯用的添加剂，例如乳化剂、渗透促进剂、软化剂、溶剂、赋形剂、抗氧化剂等。
本发明的生物纤维组合物包括具有20至30纳米直径及2000至3000纳米长度的多根生物纤维，大幅提升比表面积，应用于与皮肤接触的产品时，生物纤维组合物可增加生物纤维与肌肤表层的接触面积，使物质吸收及传输效率提升，提供肌肤保湿、抗炎、抗老化、提升皮肤弹性等功能；应用于农业用肥料时，可促进微生物生长并发挥良好的储水及释水能力。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，该领域技术人员可由本说明书所描述的内容轻易地了解本发明的优点及功效。本发明亦可通过其它不同的实施方式加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不悖离本发明所揭示的精神下赋予不同的修饰与变更。此外，本文所有范围和值都是包含及可合并的。落在本文中所述的范围内的任何数值或点，例如任何整数都可以作为最小值或最大值以导出下位范围等。
为得到本发明的生物纤维组合物，以下说明一种制造上述生物纤维组合物的方法，包括：于一容置有培养液的容器中，静置培养包括选自葡糖醋杆菌属(Gluconacetobacter)、醋杆菌属(Acetobacter)、根瘤菌属(Rhizobium)、八叠球菌属(Sarcina)、假单胞菌属(Pseudomonas)、无色杆菌属(Achromobacter)、产碱杆菌属(Alcaligenes)、肠杆菌属(Enterobacter)、固氮菌属(Azotobacter)及农杆菌属(Agrobacterium)所组成组中的至少一种的细菌24至96小时，其中，该培养液具有琼脂及重量分比例为5:1:1至4:1:1的碳源、蛋白胨及酵母提取物，以合成具多根生物纤维交织的生物纤维膜；在液态介质的存在下，均质粉碎该生物纤维膜，制得分散液；以该生物纤维组合物的总重量计，在该多根生物纤维的含量为大于0.2至1.2重量％的条件下，机械研磨该多根生物纤维；以及以超声波震荡处理该经机械研磨的分散液。
所述“静置培养”是指使细菌在培养液的表面以非织造方式形成层状的生物纤维膜。此外，静置培养使用的容器优选为扁平状的容器，以通过较低的容器高度，控制细菌的耗氧量，进而达到对生物纤维直径的调控。另一方面，因为合成的生物纤维膜在表面处的生物纤维所形成的网状结构的密度比该生物纤维膜内部的网状结构的密度更大，是以，通过所述的静置培养和条件，将有利于后续分离多根交织的生物纤维。
所述“生物纤维膜”是指由多根生物纤维交织而成的具多层网状结构的层状物。
于一具体实施方案中，所述的生物纤维膜的合成由葡糖醋杆菌属细菌于具有甘露醇、蛋白胨、酵母提取物及琼脂的培养液中静置发酵而成，其中，所制得的生物纤维膜具有大于90％的含水量。
更具体地说，所述的生物纤维膜的合成是提供一培养液于容器中，其中，该培养液的成分包括：碳源、氮源以及凝胶支持物；其中，该凝胶支持物选自琼脂；该碳源包含甘露醇、葡萄糖等糖类或糖醇类；以及该氮源包含蛋白胨、酵母提取物，且该碳源、蛋白胨及酵母提取物的重量比可为5：1：1至4：1：1；接着，将培养液的酸碱值控制于pH0.5至6后开始接种葡糖醋杆菌属微生物，且培养液中微生物浓度的吸光度(波长设定620nm)范围被控制在0.006至0.01；维持培养环境于25至28℃，使微生物开始静置发酵，待发酵24至96小时后即得所述的生物纤维膜。其中，该生物纤维膜的厚度为20至30微米。
于一具体实施方案中，所得生物纤维膜的每单位面积的该生物纤维量为0.0013至0.0018克/平方厘米，且该生物纤维的直径为20至100纳米。
所述“均质粉碎”是取该生物纤维膜与水混合后，以具有剪切力的固定外刀及具锯刀状的可回转内刀所组成的均质设备进行粉碎处理，制得分散液。
配置用于均质粉碎处理的溶液还可包括此领域中惯用的任何添加剂。举例而言，本发明的制造上述组合物的方法，还可包括于均质粉碎后，添加处理液于该分散液，以溶胀该生物纤维。
所述“溶胀”是通过该处理液渗透至生物纤维内部，弱化纤维间的氢键作用，且该溶胀不会对该生物纤维造成过分的水解作用，亦能减少机械研磨处理过程的能耗；在结合机械研磨的剪切力的协同作用下，使该生物纤维的葡聚糖链断裂，令该生物纤维的表面分纤化，增加其纤维的比表面积，使更多的羟基外露，提升该生物纤维的亲水性及生物相容性。
所述处理液选自碱溶液、无机盐溶液及离子液体水溶液所组成组中的至少一种。其中，所述碱包括选自氢氧化钾、氢氧化钠及氢氧化锂所组成组中的至少一种；所述无机盐选自尿素、氯化锌、硫化脲、氯化钙及氯化镁所组成组中的至少一种；所述离子液体选自1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐([AMIm]Cl)、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([BMIm]Cl)、1-烯丙基-3-甲基醋酸盐([AMIm]Ac)、1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐([BMIm]Ac)、氯化锂/二甲基亚砜(LiCl/DMSO)、N-烷基吡啶类及二烷基咪唑类所组成组中的至少一种。
所述“机械研磨”是将该分散液再加水稀释后，以卧式球磨机设备进行研磨处理，使该生物纤维的表面分纤化，形成具有20至30纳米直径及2000至3000纳米长度的多根生物纤维，其中，用于机械研磨的该多根生物纤维的含量占该分散液的总重量的大于0.2重量％。
另一方面，经研磨后的生物纤维具比表面积高，故纤维间的静电效应、范德华力或氢键作用力更为显著，易有凝聚现象产生。是以，本发明的制造上述组合物的方法还可包括于机械研磨后，以超声波震荡处理该经研磨的分散液，使该生物纤维的团聚体解聚。
应用本发明的生物纤维组合物成为一涂敷于肌肤表层的产品，可使物质吸收及传输效率提升，提供肌肤保湿、抗炎、抗老化、提升皮肤弹性等功能。
此外，以含水的生物纤维组合物进行抗紫外线测试，当生物纤维含量为0.8重量％以上时，UVA和UVB的穿透率皆小于10％，当应用于涂敷在肌肤表层的产品时，更具有抗紫外线的功效。
除此之外，应用本发明的生物纤维组合物成为一农业用肥料，则该生物纤维的稳定性能防止土壤板结，发挥良好的储水及释水效果，并达到促进微生物生长的作用。
测试例1
根据前述方法制备各种不同多根生物纤维含量的生物纤维组合物样品，并根据下表1所示，将指定含量的生物纤维组合物样品及纯水分别滴于封口腊膜(Parafilm，PM-996)表面，测试各该生物纤维组合物样品的接触角，并记录于下表1。
表1
Figure BDA0002247555030000081
根据表1所示的结果，相较于使用纯水滴于封口腊膜表面，本发明生物纤维组合物滴于封口腊膜表面，可使接触角小于107°，显见本发明生物纤维组合物具有优异的亲水性。
测试例2
根据前述方法制备各种不同多根生物纤维含量的生物纤维组合物样品，并根据下表2所示，于0.1毫升的水中分散指定含量的生物纤维，测量OD620值，以肉眼观察3天，检视是否发生沉降现象，并记录于下表2。
表2
Figure BDA0002247555030000091
根据表2所示的结果，生物纤维组合物中的多根生物纤维的含量为0.2重量％或小于0.2重量％时，液态介质与多根生物纤维易受内聚力影响而凝聚，产生分层和沉降现象。
测试例3
根据前述的方法制备各种不同多根生物纤维含量的生物纤维组合物样品，并根据下表3所示，将指定含量的生物纤维组合物样品以粘度计(Brookfield，转子H02)分别进行2次粘度测试，并将结果记录于表3。
表3
Figure BDA0002247555030000092
测试例4
根据前述方法制备各种不同多根生物纤维含量的生物纤维组合物样品，并根据下表4所示，将指定含量的生物纤维组合物样品制成凝固锭，并纪录是否可完成凝固锭的制备。
表4
Figure BDA0002247555030000101
根据表4的结果，含水的生物纤维组合物中的生物纤维含量大于0.4重量％时，方能形成凝固锭产品。
测试例5
根据前述方法制备多根生物纤维含量为2重量％的生物纤维组合物样品，其中，该样品中含有0.1重量％的左旋C和其余的生理食盐水。
在一容器中填充纯水，并于该容器中设置一经皮吸收膜(Strat-M，3M公司)，维持纯水温度为37℃，使该经皮吸收膜下表面接触纯水，上表面上则滴上5毫升样品，并在不同时间点测试经皮吸收膜下表面下方水中的吸光度(OD280)。此外，重复所述方法测试2次，并记录在第0分钟和第60分钟的吸光度差值，以2次的吸光度差值计算的平均值为0.098。
另一方面，以不含生物纤维的对照组样品测试2次，记录在第0分钟和第60分钟的吸光度差值，以2次的吸光度差值计算的平均值为0.057。据此可知，利用本发明的生物纤维组合物的样品吸光度下降更多，当可促进左旋C经皮吸收，提升抗氧化能力。
测试例6
根据前述方法制备多根生物纤维含量为5重量％的生物纤维组合物样品，其中，该样品中含有10重量％的熊果素和其余的生理食盐水。
在一容器中填充纯水，并于该容器中设置一经皮吸收膜(Strat-M，3M公司)，维持纯水温度为37℃，使该经皮吸收膜下表面接触纯水，上表面上则滴上5毫升样品，并在不同时间点测试经皮吸收膜下表面下方水中的吸光度(OD280)，以换算其中的熊果素含量。
经测试，在第30分钟和第60分钟的时间点，利用本发明的生物纤维组合物的样品所得透皮吸收的熊果素浓度自25μg/ml提升至25μg/ml，但以不含生物纤维的对照组样品测试仅在第60分钟的时间点测得接近浓度为25μg/ml的熊果素。显见利用本发明的生物纤维组合物的样品可促进熊果素经皮吸收。
上述实施例仅为例示性说明，而非用于限制本发明。任何该领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围由本发明所附的权利要求书所定义，只要不影响本发明的效果及实施目的，应涵盖于此公开技术内容中。

Claims (20)

1.一种生物纤维组合物，包括具有20至30纳米直径及2000至3000纳米长度的多根生物纤维。
2.根据权利要求1所述的生物纤维组合物，其特征在于，所述生物纤维组合物不包括液态介质，且于所述生物纤维组合物中添加1毫升水以形成混合物后，所述混合物中的生物纤维含量为大于0.4重量％至1.2重量％。
3.根据权利要求2所述的生物纤维组合物，其特征在于，所述生物纤维组合物分散于0.1毫升水中时的OD620值为大于0.29至1.22。
4.根据权利要求3所述的生物纤维组合物，其特征在于，所述OD620值为0.43至1.22。
5.根据权利要求1所述的生物纤维组合物，还包括液态介质。
6.根据权利要求5所述的生物纤维组合物，其特征在于，所述液态介质是水。
7.根据权利要求6所述的生物纤维组合物，其特征在于，所述生物纤维组合物分散于0.1毫升水中时的OD620值为0.43至1.22。
8.根据权利要求7所述的生物纤维组合物，其特征在于，所述OD620值为0.43至1.22。
9.根据权利要求5所述的生物纤维组合物，其特征在于，以所述生物纤维组合物的总重量计，所述多根生物纤维的含量为大于0.2至1.2重量％。
10.根据权利要求6所述的生物纤维组合物，其特征在于，所述生物纤维组合物与封口腊膜(Parafilm)表面的接触角为95.5°至小于107°。
11.根据权利要求1所述的生物纤维组合物，其特征在于，所述多根生物纤维由包括选自葡糖醋杆菌属(Gluconacetobacter)、醋杆菌属(Acetobacter)、根瘤菌属(Rhizobium)、八叠球菌属(Sarcina)、假单胞菌属(Pseudomonas)、无色杆菌属(Achromobacter)、产碱杆菌属(Alcaligenes)、肠杆菌属(Enterobacter)、固氮菌属(Azotobacter)及农杆菌属(Agrobacterium)所组成组中的至少一种的细菌形成。
12.根据权利要求1所述的生物纤维组合物，还包括有机物养分、活性成分或药物。
13.根据权利要求12所述的生物纤维组合物，其特征在于，所述活性成分为保湿成分、美白成分、抗皱成分、去角质成分、抗炎成分、生长因子或酶。
14.一种生物纤维组合物，包括具有长径比为66至150的多根生物纤维，且所述生物纤维组合物分散于0.1毫升水中时的OD620值为大于0.29至1.22。
15.根据权利要求14所述的生物纤维组合物，其特征在于，所述生物纤维组合物不包括液态介质，且于所述生物纤维组合物中添加1毫升水以形成混合物后，所述混合物中的生物纤维含量为大于0.4重量％至1.2重量％。
16.根据权利要求14所述的生物纤维组合物，还包括液态介质。
17.根据权利要求16所述的生物纤维组合物，其特征在于，所述液态介质是水。
18.根据权利要求16所述的生物纤维组合物，其特征在于，以所述生物纤维组合物的总重量计，所述多根生物纤维的含量为大于0.2至1.2重量％。
19.根据权利要求17所述的生物纤维组合物，其特征在于，生物纤维组合物与封口腊膜(Parafilm)表面的接触角为95.5°至小于107°。
20.根据权利要求14所述的生物纤维组合物，还包括有机物养分、活性成分或药物。
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