CN113603860A - 一种细菌纤维素-聚氨酯复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种细菌纤维素‑聚氨酯复合材料及其制备方法和应用。制备方法包括：将细菌纤维素微纤进行有机溶剂交换处理，获得不同浓度的细菌纤维素微纤的复合物A和复合物B；于油浴条件下加入聚合物多元醇和二异氰酸酯类化合物进行加聚反应，反应得到细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体；然后进行固化得到该细菌纤维素‑聚氨酯复合材料。本发明采用细菌纤维素微纤与聚氨酯泡沫材料复合，显著提高了复合材料的力学性能；细菌纤维素纳米纤维表面大量羟基有效加强了复合材料的亲水性能及吸水能力；同时细菌纤维素良好的组织亲和能力可以改善聚氨酯材料的生物相容性。

Description

一种细菌纤维素-聚氨酯复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于皮肤修复技术领域，涉及一种具有梯度结构的细菌纤维素-聚氨酯复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
伤口的愈合过程是一个连续的动态过程，是细胞与细胞、细胞与细胞基质以及与可溶性介质间相互作用的过程。临床上伤口的治愈以伤口敷料使用为主，随着“湿法疗法”理论和实践得到普及，具有吸湿功能的高性能湿性敷料在在世界医疗卫生领域得到日益重视。
目前临床上常用的敷料按材质的不同可分为细菌纤维素类敷料、聚氨酯敷料等。
细菌纤维素是由葡萄糖以β-1,4-糖苷链连接而成的高分子化合物，作为一种优良的生物材料，具有其独特的物理、化学性能：细菌纤维素具有天然的三维纳米网络结构；高抗张强度和弹性模量；高亲水性，良好的透气、吸水、透水性能，非凡的持水性和高湿强度。另外，大量研究表明细菌纤维素具有良好的体内、体外生物相容性和生物可降解性，这使得细菌纤维素本身可以应用于生物医用领域。国外采用单纯的细菌纤维素水凝胶作为敷料已有报道，并且已经产业化用于临床。因此，以细菌纤维素水凝胶作为敷料的基体材料，利用细菌纤维素本身的吸水性能，可以在保证生物安全性的基础上持续有效地吸收伤口渗出液及代谢产物。细菌纤维素水凝胶用于伤口敷料领域有很好的发展前景，它为伤口提供了湿润的环境以促进伤口更好地愈合。但是细菌纤维素水凝胶本身的三维纳米网络结构缺少良好的防水阻菌性能，外界的微生物及水分能够透过其纳米网络渗入到伤口。同时，细菌纤维素水凝胶敷料具有较大的水蒸气透过率，在使用过程中其内部的水分较易失去。这些问题都制约了细菌纤维素水凝胶敷料的应用。
聚氨酯是在高分子结构主链上含有氨基甲酸酯基团(-NHCOO-)的聚合物总称。其分子结构中的软硬段属热力学不相容体系，存在极性差异，可引起微相分离，因此具备良好的生物相容性、抗凝血性。大量动物实验和急慢性毒性实验证实，医用聚氨酯材料与人体血液相容性和组织相容性好，无毒无致畸变作用，对局部无过敏反应，有良好的韧性、耐溶剂性、耐水解性及抗菌性，并且耐磨损，容易加工成型，性能可控，所以被认为是最具价值的生物医学合成材料之一。1、采用聚氨酯薄膜制备的敷料产品能够保持创面的湿润，控制水蒸气透过速率，并抵御微生物和外界水分的侵入。2、聚氨酯泡沫材料具有较好的生物相容性、亲水性和柔软性，可吸收体液或血液，避免积液的形成，具有很好的柔软性服帖性，利于和组织较好地贴和，减少不适和疼痛，特有的孔状结构还可以根据需要加载和释放药物，与组织不粘连，易于揭取更换。如聚氨酯泡沫敷料既可以用于保持创面湿润，又可允许气体通过，促进创面愈合。但是聚氨酯泡沫在实际应用中其生物相容性、力学性能和亲水性能有待于加强，尤其是在人体修复材料、智能药物缓释材料和组织工程材料的应用方面。
因此，当前的皮肤创伤敷料产品有待进一步改进。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种具有梯度结构的细菌纤维素-聚氨酯复合材料；本发明的另一目的在于提供该具有梯度结构的细菌纤维素-聚氨酯复合材料的制备方法；本发明的再一目的在于提供该具有梯度结构的细菌纤维素-聚氨酯复合材料在人体修复材料、智能药物缓释材料和组织工程材料中的应用。
本发明的目的通过以下技术方案得以实现：
一方面，本发明提供一种细菌纤维素-聚氨酯复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
将细菌纤维素微纤进行有机溶剂交换处理，获得不同浓度的细菌纤维素微纤的复合物A和复合物B；
其中，所述复合物A以重量份为100wt%计，包括30~50wt%的完全脱水的细菌纤维素微纤和余量的有机溶剂；所述复合物B以重量份为100wt%计，包括15~30wt%的部分脱水的细菌纤维素微纤和余量的有机溶剂；其中，部分脱水的细菌纤维素微纤中含有5~10wt%（以复合物B的重量份计）的水；
将复合物A和复合物B以体积比为1:（2~5）进行混合，于油浴条件下加入聚合物多元醇和二异氰酸酯类化合物进行加聚反应，反应得到细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体；将其固化后得到细菌纤维素-聚氨酯复合材料；
其中，所述聚合物多元醇和所述二异氰酸酯类化合物的重量比为1：（0.1~0.2）；所述聚合物多元醇占所述复合物A和所述复合物B总重量的20%~60%。
本发明创造性的将细菌纤维素和聚氨酯联合制备复合材料，采用细菌纤维素的纳米纤维微纤均匀分布在聚氨酯材料的内部，增强聚氨酯泡沫材料，通过聚氨酯反应中残留的异氰酸酯基团与细菌纤维素纳米纤维表面的羟基基团相互作用，以化学键合的方式使细菌纤维素纳米纤维与聚氨酯泡沫基体有效结合，使得该复合材料的力学性能得到了显著提高；细菌纤维素纳米纤维表面大量羟基有效提高了复合材料的亲水性能及吸水能力；同时细菌纤维素良好的组织亲和能力可以改善聚氨酯材料的生物相容性，发挥两种材料的优势，得到的一款理想的皮肤创伤敷料产品，使其在生物医用领域具有巨大的应用前景。
本发明中，复合物A是细菌纤维素微纤完全脱水后与有机溶剂的混合物，复合物B是细菌纤维素微纤脱去表面游离水，仍含有少量结合水的微纤与有机溶剂的混合物。本发明采取溶剂交换的方法，在不破坏细菌纤维素纳米纤维表面羟基的基础上去除部分水分子；少量的结合水能够与异氰酸酯基团反应生成二氧化碳（2RNCO + H2O → RNHCONHR +CO2↑），具有致孔剂的功能。在制备过程中，由于纤维素微纤不同含水量的比重不同，复合物A与复合物B按照体积比1:（2~5）进行调配后，会在沉降过程中自动分层，含水量的不同会使致孔的二氧化碳气体量不同，从而形成不同的孔径分布。因此，本发明制备的细菌纤维素-聚氨酯复合材料为具有不同孔径的梯度双层结构，一层为大孔层（主要包含较多的复合物B），另一层为微孔层（主要包含较多的复合物A），该细菌纤维素-聚氨酯复合材料是由大孔层与微孔层构成的有机整体，在使用过程中上层为微孔层能够防水阻菌，并控制水蒸气透过率；下层为大孔层能够保持伤口湿性微环境、控制伤口渗出液、促进伤口愈合。
上述的制备方法中，优选地，还包括将菌株发酵得到的细菌纤维素进行纯化、均质处理得到细菌纤维素微纤的过程；所述菌株包括木醋杆菌、根瘤菌属、八叠球菌属、假单胞菌属、无色杆菌属、产碱菌属、气杆菌属和固氮菌属中的一种或多种的组合。
本发明中，采取上述菌株进行发酵的方法为本领域常规方法，发酵培养基为本领域生产细菌纤维素常规培养基，发酵时间一般为3~7天，发酵温度为30℃~37℃。
上述的制备方法中，优选地，还包括将菌株发酵得到的细菌纤维素进行纯化、均质处理得到细菌纤维素微纤的过程；其中，对细菌纤维素进行纯化的方法包括：
于70℃~100℃的温度下，将细菌纤维素在质量百分含量为4%~8%的氢氧化钠水溶液中洗涤4～6h，再用蒸馏水反复冲洗至中性，以除去细菌纤维素上的菌体蛋白和粘附在纤维素膜上的残余培养基，获得纯化后的细菌纤维素。
上述的制备方法中，优选地，对细菌纤维素进行均质处理的方法为：
采用高速分散机于5000~25000rpm的转速下，对纯化后的细菌纤维素均质5~10min，得到细菌纤维素微纤。
上述的制备方法中，优选地，所述细菌纤维素微纤的长度为0.1~10μm，直径为50~100nm。该细菌纤维素微纤是由多根纳米级的细菌纤维素纤维通过分子间氢键合股形成的纤维束。
上述的制备方法中，优选地，所述有机溶剂交换处理的方法为：
将细菌纤维素微纤浸泡于无水乙醇中，通过控制浸泡时间8~12h获得完全脱水后的细菌纤维素微纤和控制浸泡时间3~6h获得部分脱水后的细菌纤维素微纤；
将完全脱水后的细菌纤维素微纤浸泡于有机溶剂中48~72h，获得复合物A；
将部分脱水后的细菌纤维素微纤浸泡于有机溶剂中12~48h，获得复合物B。
本发明中，对细菌纤维素微纤表面游离水与内部结合水的控制，通过将细菌纤维素微纤浸泡在无水乙醇中，随着无水乙醇浸泡时间的增长，无水乙醇会首先将细菌纤维素微纤表面的游离水析出，然后将细菌纤维素微纤内部（组成微纤的纳米纤维之间的）的结合水析出。最终得到的复合物A是细菌纤维素微纤完全脱水后与有机溶剂的混合物，复合物B是细菌纤维素微纤脱去表面游离水，仍含有少量结合水的微纤与有机溶剂的混合物。
上述的制备方法中，优选地，所述有机溶剂包括乙基乙二醇乙酸酯、乙酸乙酯、丁内酯、乙酸和丙酮中的一种或多种的组合。
本发明采用的有机溶剂能够降低细菌纤维素中的纳米级纤维素纤维与水分子之间的相互作用，避免游离水的存在，提高聚氨酯泡沫生产过程中的反应效率，同时加强细菌纤维素纳米纤维素纤维与聚氨酯之间的界面作用。
上述的制备方法中，优选地，进行加聚反应的条件为：70℃~80℃下恒温油浴，反应时间为60~90min。
上述的制备方法中，优选地，所述聚合物多元醇包括聚乙二醇、聚环氧丙烷、丙二醇和一缩二乙二醇中的一种或多种的组合。
上述的制备方法中，优选地，对所述细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体进行固化的方法为：
向细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体中加入固化助剂并搅拌均匀，然后加入二异氰酸酯类化合物和水并搅拌均匀得到混合物，然后固化得到细菌纤维素-聚氨酯复合材料。
上述的制备方法中，优选地，所述固化助剂的用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的0.5~2.6wt%。
上述的制备方法中，优选地，所述二异氰酸酯类化合物和水的用量比为（20~40）：（2~5）。
上述的制备方法中，优选地，固化中，所述二异氰酸酯类化合物的用量为所述聚合物多元醇用量的20%~50%。
上述的制备方法中，优选地，所述二异氰酸酯类化合物包括甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯中的一种或多种的组合。
本发明中采用聚合物多元醇与二异氰酸酯分别作用聚氨酯材料的软段结构和硬段结构，生成的聚醚型聚氨酯具有优异的力学性能和良好的生物相容性。
上述的制备方法中，优选地，所述固化助剂包括催化剂、开孔剂和稳定剂；
所述催化剂包括三亚乙基二胺、二甲基乙醇胺、二月桂酸二丁基锡和辛酸亚锡中的一种或多种的组合；
所述开孔剂包括开孔硅油、硅油6070和聚丁二烯二醇中的一种或多种的组合；
所述稳定剂包括有机硅表面活性剂、椰油酰两性基乙酸钠、桂酰两性基乙酸钠和月桂酰两性基二乙酸二钠中的一种或多种的组合。
上述的制备方法中，优选地，所述催化剂的用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的0.3~1.5wt%；所述开孔剂的用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的0.1~1wt%；所述稳定剂的用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的0.1~0.5wt%。
本发明中采用上述固化助剂有利于聚氨酯泡沫材料由液态向固态的转化，同时也伴随聚氨酯中残留的异氰酸酯基团与细菌纤维素纳米纤维表面的羟基基团相互作用生成氨基甲酸酯键，以化学键合的方式将细菌纤维素纳米纤维与聚氨酯泡沫材料有效结合。
上述的制备方法中，优选地，所述固化是将混合搅拌均匀的混合物置于模具中，于室温条件下静置2~7d。
另一方面，本发明还提供一种细菌纤维素-聚氨酯复合材料，其包括大孔层和微孔层至少两层结构，大孔层的孔径为100~500μm，孔隙率为70%~90%，厚度为0.5~1cm；微孔层的孔径为10~80μm，孔隙率为60%~80%；厚度为0.1~0.3cm。
本发明的细菌纤维素-聚氨酯复合材料是通过上述制备方法制备获得的。
上述的细菌纤维素-聚氨酯复合材料中，所述细菌纤维素微纤在复合材料中的质量占比为20~40wt%，且纳米纤维表面的羟基与聚氨酯中残留的异氰酸酯基团存在化学键合。
本发明制备获得的细菌纤维素-聚氨酯复合材料具有不同孔径的梯度双层结构，一层为大孔层，另一层为微孔层。该细菌纤维素-聚氨酯复合材料是由大孔层与微孔层构成的有机整体，在使用过程中上层为微孔层能够防水阻菌，并控制水蒸气透过率；下层为大孔层能够保持伤口湿性微环境、控制伤口渗出液、促进伤口愈合。
再一方面，本发明还提供上述细菌纤维素-聚氨酯复合材料在人体修复材料、智能药物缓释材料和组织工程材料中的应用。
本发明的有益效果：
（1）本发明采用细菌纤维素纳米纤维微纤与聚氨酯泡沫材料复合，显著提高了复合材料的力学性能；细菌纤维素纳米纤维表面大量羟基有效加强了复合材料的亲水性能及吸水能力；同时细菌纤维素良好的组织亲和能力可以改善聚氨酯材料的生物相容性；
（2）本发明通过聚氨酯反应中残留的异氰酸酯基团与细菌纤维素纳米纤维表面的羟基基团相互作用，以化学键合的方式使细菌纤维素纳米纤维与聚氨酯泡沫基体有效结合；
（3）本发明的制备工艺简单、成本低、无污染，得到的是一种环境友好可降解的细菌纤维素复合聚氨酯泡沫材料。该材料具有良好的生物相容性、力学性能、亲水/持水性能及吸水能力，在人体修复材料、智能药物缓释材料和组织工程材料等生物医用领域具有巨大的应用前景。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
本实施提供一种细菌纤维素-聚氨酯复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
步骤一，将木醋杆菌发酵培养得到的细菌纤维素浸泡在质量百分含量为4%的NaOH水溶液中，在100℃的温度下加热6h，再用蒸馏水反复冲洗至中性；然后采用高速分散机，25000rpm的转速下，对纯化的细菌纤维素样品均质10min，得到长度为0.1μm，直径为50nm的细菌纤维素微纤。
步骤二，将所述均质后的细菌纤维素微纤浸泡于无水乙醇中8h，以保证细菌纤维素微纤完全脱水，然后将脱水后的细菌纤维素微纤浸泡于有机溶剂乙基乙二醇乙酸酯中48h，配制获得复合物A，所述复合物A以重量份为100wt%计，包括30wt%的细菌纤维素微纤和余量的有机溶剂（余量的有机溶剂中包括有残余的无水乙醇和乙基乙二醇乙酸酯）。
将所述均质后的细菌纤维素微纤浸泡于无水乙醇中3h，以脱除细菌纤维素微纤中的大部分水，然后将部分脱水后的细菌纤维素微纤浸泡于有机溶剂乙酸和丙酮中12h，配制获得复合物B，所述复合物B以重量份为100wt%计，包括15wt%的部分脱水的细菌纤维素微纤和余量的有机溶剂（余量的有机溶剂中包括有残余的无水乙醇、乙酸和丙酮）；其中部分脱水的细菌纤维素微纤中含有5wt%的水。
步骤三，将复合物A和复合物B以体积比为1:2进行混合，在70℃的恒温油浴条件下，加入聚合物多元醇，并加入少量二异氰酸酯类化合物进行加聚反应，搅拌反应时间为60min，反应得到细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体。其中聚合物多元醇加入量是复合物A和复合物B混合后的总质量的20%。
步骤四，向细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体中加入固化助剂（催化剂+开孔剂+稳定剂）并搅拌均匀，然后加入二异氰酸酯类化合物和水高速搅拌并置于模具中，常温下静置固化2天得到该细菌纤维素-聚氨酯复合材料。
用量：加入的聚合物多元醇为聚乙二醇按100份重量计，加入的二异氰酸酯类化合物为甲苯二异氰酸酯，总量按60份重量计，其中先加入少量的二异氰酸酯类化合物占该物质总重量的20%，加入水重量按5份重量计。
加入的固化助剂包括催化剂、开孔剂和稳定剂；其中催化剂为三亚乙基二胺，用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的0.3wt%；开孔剂为开孔硅油，用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的1wt%；稳定剂为有机硅表面活性剂，用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的0.5wt%。
该细菌纤维素-聚氨酯复合材料具有不同孔径的梯度双层结构，一层为大孔层，大孔孔径为100μm，孔隙率为70%，厚度为0.5cm；另一层为微孔层，孔径为10μm，孔隙率为60%，厚度为0.1cm。该细菌纤维素-聚氨酯复合材料是由大孔层与微孔层构成的有机整体，在使用过程中上层为微孔层能够防水阻菌，并控制水蒸气透过率；下层为大孔层能够保持伤口湿性微环境、控制伤口渗出液、促进伤口愈合。
实施例2
本实施提供一种细菌纤维素-聚氨酯复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
步骤一，将根瘤菌属与八叠球菌属发酵培养得到的细菌纤维素浸泡在质量百分含量为5%的NaOH水溶液中，在90℃的温度下加热5h，再用蒸馏水反复冲洗至中性；然后采用高速分散机，20000rpm的转速下，对纯化的细菌纤维素样品均质5min，得到长度为2μm，直径为60nm的细菌纤维素微纤。
步骤二，将所述均质后的细菌纤维素微纤浸泡于无水乙醇中10 h，以保证细菌纤维素微纤完全脱水，然后将脱水后的细菌纤维素微纤浸泡于有机溶剂乙酸乙酯中36 h，配制获得复合物A，所述复合物A以重量份为100wt%计，包括40wt%的细菌纤维素微纤和余量的有机溶剂（余量的有机溶剂中包括有残余的无水乙醇和乙酸乙酯）。
将所述均质后的细菌纤维素微纤浸泡于无水乙醇中4h，以脱除细菌纤维素微纤中的大部分水，然后将部分脱水后的细菌纤维素微纤浸泡于有机溶剂丙酮中48h，配制获得复合物B，所述复合物B以重量份为100wt%计，包括20wt%的部分脱水的细菌纤维素微纤和余量的有机溶剂（余量的有机溶剂中包括有残余的无水乙醇和丙酮）；其中部分脱水的细菌纤维素微纤中含有5wt%的水。
步骤三，将复合物A和复合物B以体积比为1:3进行混合，在70℃的恒温油浴条件下，加入聚合物多元醇，并加入少量二异氰酸酯类化合物进行加聚反应，搅拌反应时间为70min，反应得到细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体。其中聚合物多元醇加入量是复合物A和复合物B混合后的总质量的30%。
步骤四，向细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体中加入固化助剂（催化剂+开孔剂+稳定剂）并搅拌均匀，然后加入二异氰酸酯类化合物和水高速搅拌并置于模具中，常温下静置固化3天得到该细菌纤维素-聚氨酯复合材料。
用量：加入的聚合物多元醇为聚环氧丙烷按100份重量计，加入的二异氰酸酯类化合物为二苯基甲烷二异氰酸酯总量按60份重量计，其中先加入少量的二异氰酸酯类化合物占该物质总重量的20%，加入水重量按4份重量。
加入的固化助剂包括催化剂、开孔剂和稳定剂；其中催化剂为二甲基乙醇胺，用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的0.7 wt%；开孔剂为硅油6070，用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的0.8 wt%；稳定剂为椰油酰两性基乙酸钠，用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的0.4wt%。
该细菌纤维素-聚氨酯复合材料具有不同孔径的梯度双层结构，一层为大孔层，大孔孔径为200um，孔隙率为70%，厚度为0.7cm；另一层为微孔层，孔径为20μm，孔隙率为60%，厚度为0.1cm。该细菌纤维素-聚氨酯复合材料是由大孔层与微孔层构成的有机整体，在使用过程中上层为微孔层能够防水阻菌，并控制水蒸气透过率；下层为大孔层能够保持伤口湿性微环境、控制伤口渗出液、促进伤口愈合。
实施例3
本实施提供一种细菌纤维素-聚氨酯复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
步骤一，将假单胞菌属与无色杆菌属发酵培养得到的细菌纤维素浸泡在质量百分含量为6%的NaOH水溶液中，在80℃的温度下加热4h，再用蒸馏水反复冲洗至中性；然后采用高速分散机，25000rpm的转速下，对纯化的细菌纤维素样品均质6min，得到长度为4μm，直径为70nm的细菌纤维素微纤。
步骤二，将所述均质后的细菌纤维素微纤浸泡于无水乙醇中9h，以保证细菌纤维素微纤完全脱水，然后将脱水后的细菌纤维素微纤浸泡于有机溶剂丁内酯中72h，配制获得复合物A，所述复合物A以重量份为100wt%计，包括50wt%的细菌纤维素微纤和余量的有机溶剂（余量的有机溶剂中包括有残余的无水乙醇和丁内酯）。
将所述均质后的细菌纤维素微纤浸泡于无水乙醇中5h，以脱除细菌纤维素微纤中的大部分水，然后将部分脱水后的细菌纤维素微纤浸泡于有机溶剂乙基乙二醇乙酸酯中12h，配制获得复合物B，所述复合物B以重量份为100wt%计，包括30wt%的部分脱水的细菌纤维素微纤和余量的有机溶剂（余量的有机溶剂中包括有残余的无水乙醇和乙基乙二醇乙酸酯）；其中部分脱水的细菌纤维素微纤中含有10wt%的水。
步骤三，将复合物A和复合物B以体积比为1:4进行混合，在70℃的恒温油浴条件下，加入聚合物多元醇，并加入少量二异氰酸酯类化合物进行加聚反应，搅拌反应时间为60min，反应得到细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体。其中聚合物多元醇加入量是复合物A和复合物B混合后的总质量的40%。
步骤四，向细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体中加入固化助剂（催化剂+开孔剂+稳定剂）并搅拌均匀，然后加入二异氰酸酯类化合物和水高速搅拌并置于模具中，常温下静置固化4天得到该细菌纤维素-聚氨酯复合材料。
用量：加入的聚合物多元醇为丙二醇和一缩二乙二醇总量（1：1）按100份重量计，加入的二异氰酸酯类化合物为异佛尔酮二异氰酸酯总量按50份重量计，其中先加入少量的二异氰酸酯类化合物占该物质总重量的20%，加入水重量按3份重量。
加入的固化助剂包括催化剂、开孔剂和稳定剂；其中催化剂为二月桂酸二丁基锡，用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的0.9 wt%；开孔剂为聚丁二烯二醇，用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的0.5 wt%；稳定剂为桂酰两性基乙酸钠用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的0.3wt%。
该细菌纤维素-聚氨酯复合材料具有不同孔径的梯度双层结构，一层为大孔层，大孔的孔径为300μm，孔隙率为80%，厚度为0.8cm；另一层为微孔层，孔径为40μm，孔隙率为70%，厚度为0.2cm。该细菌纤维素-聚氨酯复合材料是由大孔层与微孔层构成的有机整体，在使用过程中上层为微孔层能够防水阻菌，并控制水蒸气透过率；下层为大孔层能够保持伤口湿性微环境、控制伤口渗出液、促进伤口愈合。
实施例4
本实施提供一种细菌纤维素-聚氨酯复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
步骤一，将产碱菌属、气杆菌属和固氮菌属混合发酵培养得到的细菌纤维素浸泡在质量百分含量为7%的NaOH水溶液中，在70℃的温度下加热4h，再用蒸馏水反复冲洗至中性；然后采用高速分散机，15000rpm的转速下，对纯化的细菌纤维素样品均质8min，得到长度为6μm，直径为80nm的细菌纤维素微纤。
步骤二，将所述均质后的细菌纤维素微纤浸泡于无水乙醇中10h，以保证细菌纤维素微纤完全脱水，然后将脱水后的细菌纤维素微纤浸泡于有机溶剂乙酸和丙酮中36h，配制获得复合物A，所述复合物A以重量份为100wt%计，包括30wt%的细菌纤维素微纤和余量的有机溶剂（余量的有机溶剂中包括有残余的无水乙醇、乙酸和丙酮）。
将所述均质后的细菌纤维素微纤浸泡于无水乙醇中6h，以脱除细菌纤维素微纤中的大部分水，然后将部分脱水后的细菌纤维素微纤浸泡于有机溶剂丙酮中12h，配制获得复合物B，所述复合物B以重量份为100wt%计，包括23wt%的部分脱水的细菌纤维素微纤和余量的有机溶剂（余量的有机溶剂中包括有残余的无水乙醇和丙酮）；其中部分脱水的细菌纤维素微纤中含有8wt%的水。
步骤三，将复合物A和复合物B以体积比为1:5进行混合，在80℃的恒温油浴条件下，加入聚合物多元醇，并加入少量二异氰酸酯类化合物进行加聚反应，搅拌反应时间为70min，反应得到细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体。其中聚合物多元醇加入量是复合物A和复合物B混合后的总质量的50%。
步骤四，向细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体中加入固化助剂（催化剂+开孔剂+稳定剂）并搅拌均匀，然后加入二异氰酸酯类化合物和水高速搅拌并置于模具中，常温下静置固化5天得到该细菌纤维素-聚氨酯复合材料。
用量：加入的聚合物多元醇为聚乙二醇和聚环氧丙烷（1:1）总量按100份重量计，加入的二异氰酸酯类化合物为甲苯二异氰酸酯和二苯基甲烷二异氰酸酯（1:1）总量按50份重量计，其中先加入少量的二异氰酸酯类化合物占该物质总重量的10%，加入水重量按2份重量。
加入的固化助剂包括催化剂、开孔剂和稳定剂；其中催化剂为三亚乙基二胺和辛酸亚锡（1：1）用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的1.0wt%；开孔剂为开孔硅油和硅油6070（1：1），用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的0.5wt%；稳定剂为月桂酰两性基二乙酸二钠，用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的0.2wt%。
该细菌纤维素-聚氨酯复合材料具有不同孔径的梯度双层结构，一层为大孔层，大孔孔径为300μm，孔隙率为80%，厚度为0.6cm；另一层为微孔层，孔径为50μm，孔隙率为70%，厚度为0.2cm。该细菌纤维素-聚氨酯复合材料是由大孔层与微孔层构成的有机整体，在使用过程中上层为微孔层能够防水阻菌，并控制水蒸气透过率；下层为大孔层能够保持伤口湿性微环境、控制伤口渗出液、促进伤口愈合。
实施例5
本实施提供一种细菌纤维素-聚氨酯复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
步骤一，将木醋杆菌与假单胞菌属发酵培养得到的细菌纤维素浸泡在质量百分含量为6%的NaOH水溶液中，在100℃的温度下加热5h，再用蒸馏水反复冲洗至中性；然后采用高速分散机，10000 rpm的转速下，对纯化的细菌纤维素样品均质9 min，得到长度为8 μm，直径为90nm的细菌纤维素微纤。
步骤二，将所述均质后的细菌纤维素微纤浸泡于无水乙醇中11h，以保证细菌纤维素微纤完全脱水，然后将脱水后的细菌纤维素微纤浸泡于有机溶剂乙基乙二醇乙酸酯和乙酸乙酯中48h，配制获得复合物A，所述复合物A以重量份为100wt%计，包括40wt%的细菌纤维素微纤和余量的有机溶剂（余量的有机溶剂中包括有残余的无水乙醇、乙基乙二醇乙酸酯和乙酸乙酯）。
将所述均质后的细菌纤维素微纤浸泡于无水乙醇中7h，以脱除细菌纤维素微纤中的大部分水，然后将部分脱水后的细菌纤维素微纤浸泡于有机溶剂乙基乙二醇乙酸酯中36h，配制获得复合物B，所述复合物B以重量份为100wt%计，包括26wt%的部分脱水的细菌纤维素微纤和余量的有机溶剂（余量的有机溶剂中包括有残余的无水乙醇和乙基乙二醇乙酸酯）；其中部分脱水的细菌纤维素微纤中含有6wt%的水。
步骤三，将复合物A和复合物B以体积比为1:3进行混合，在80℃的恒温油浴条件下，加入聚合物多元醇，并加入少量二异氰酸酯类化合物进行加聚反应，搅拌反应时间为80min，反应得到细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体。其中聚合物多元醇加入量是复合物A和复合物B混合后的总质量的60%。
步骤四，向细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体中加入固化助剂（催化剂+开孔剂+稳定剂）并搅拌均匀，然后加入二异氰酸酯类化合物和水高速搅拌并置于模具中，常温下静置固化6天得到该细菌纤维素-聚氨酯复合材料。
用量：加入的聚合物多元醇为聚乙二醇和丙二醇（2:1）按100份重量计，加入的二异氰酸酯类化合物为二苯基甲烷二异氰酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯（1：1）总量按40份重量计，其中先加入少量的二异氰酸酯类化合物占该物质总重量的10%，加入水重量按3份重量。
加入的固化助剂包括催化剂、开孔剂和稳定剂；其中催化剂为二甲基乙醇胺和辛酸亚锡（1：1）用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的1.2 wt%；开孔剂为包括开孔硅油和聚丁二烯二醇（2:1），用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的0.3wt%；稳定剂为有机硅表面活性剂和椰油酰两性基乙酸钠（1：1）用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的0.1wt%。
该细菌纤维素-聚氨酯复合材料具有不同孔径的梯度双层结构，一层为大孔层，大孔孔径为400μm，孔隙率为90%，厚度为0.9 cm；另一层为微孔层，孔径为60μm，孔隙率为80%，厚度为0.3cm。该细菌纤维素-聚氨酯复合材料是由大孔层与微孔层构成的有机整体，在使用过程中上层为微孔层能够防水阻菌，并控制水蒸气透过率；下层为大孔层能够保持伤口湿性微环境、控制伤口渗出液、促进伤口愈合。
实施例6
本实施提供一种细菌纤维素-聚氨酯复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
步骤一，将木醋杆菌发酵培养得到的细菌纤维素浸泡在质量百分含量为8%的NaOH水溶液中，在80℃的温度下加热6h，再用蒸馏水反复冲洗至中性；然后采用高速分散机，5000rpm的转速下，对纯化的细菌纤维素样品均质10min，得到长度为10μm，直径为100nm的细菌纤维素微纤。
步骤二，将所述均质后的细菌纤维素微纤浸泡于无水乙醇中12h，以保证细菌纤维素微纤完全脱水，然后将脱水后的细菌纤维素微纤浸泡于有机溶剂乙酸乙酯和丙酮中72h，配制获得复合物A，所述复合物A以重量份为100wt%计，包括50wt%的细菌纤维素微纤和余量的有机溶剂（余量的有机溶剂中包括有残余的无水乙醇和乙酸乙酯）。
将所述均质后的细菌纤维素微纤浸泡于无水乙醇中6h，以脱除细菌纤维素微纤中的大部分水，然后将部分脱水后的细菌纤维素微纤浸泡于有机溶剂乙酸乙酯中48 h，配制获得复合物B，所述复合物B以重量份为100wt%计，包括30wt%的部分脱水的细菌纤维素微纤和余量的有机溶剂（余量的有机溶剂中包括有残余的无水乙醇和乙酸乙酯）；其中部分脱水的细菌纤维素微纤中含有10wt%的水。
步骤三，将复合物A和复合物B以体积比为1:2进行混合，在80℃的恒温油浴条件下，加入聚合物多元醇，并加入少量二异氰酸酯类化合物进行加聚反应，搅拌反应时间为90min，反应得到细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体。其中聚合物多元醇加入量是复合物A和复合物B混合后的总质量的40%。
步骤四，向细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体中加入固化助剂（催化剂+开孔剂+稳定剂）并搅拌均匀，然后加入二异氰酸酯类化合物和水高速搅拌并置于模具中，常温下静置固化7天得到该细菌纤维素-聚氨酯复合材料。
用量：加入的聚合物多元醇为聚乙二醇按100份重量计，加入的二异氰酸酯类化合物为甲苯二异氰酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯（4:1）总量按40份重量计，其中先加入少量的二异氰酸酯类化合物占该物质总重量的10%；加入水重量按4份重量。
加入的固化助剂包括催化剂、开孔剂和稳定剂；其中催化剂为二月桂酸二丁基锡和辛酸亚锡（1:1）用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的1.5wt%；开孔剂为开孔硅油、硅油6070和聚丁二烯二醇中（2:1:1），用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的0.1wt%；稳定剂为椰油酰两性基乙酸钠、桂酰两性基乙酸钠和月桂酰两性基二乙酸二钠（1:1:1），用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的0.1wt%。
该细菌纤维素-聚氨酯复合材料具有不同孔径的梯度双层结构，一层为大孔层，大孔孔径为500μm，孔隙率为90%，厚度为1cm；另一层为微孔层，孔径为80μm，孔隙率为80%，厚度为0.3cm。该细菌纤维素-聚氨酯复合材料是由大孔层与微孔层构成的有机整体，在使用过程中上层为微孔层能够防水阻菌，并控制水蒸气透过率；下层为大孔层能够保持伤口湿性微环境、控制伤口渗出液、促进伤口愈合。
性能测试实验：
对实施例制备的细菌纤维素-聚氨酯复合材料进行了如下性能测试：
透气膜敷料水蒸气透过率实验：按照YY/T 0471.2-2004《接触性创面敷料试验方法第2 部分：透气膜敷料水蒸气透过率》对细菌纤维素-聚氨酯复合材料的水蒸气透过率进行测试，水蒸气透过率(MVTR)为1600克每平方米每24小时(g•m-2•24h-1)。
生物相容性实验：参照GB/T 16886医疗器械的生物学评价，分别对细菌纤维素-聚氨酯复合材料进行细胞毒性、豚鼠迟发接触性致敏、皮肤刺激等评价。
生物相容性评价：细胞内毒性试验按照GB/T 16886-5《医疗器械生物学评价第5部分：体外细胞毒性试验》进行测试；豚鼠迟发型接触致敏试验按照GB/T 16886-10《医疗器械生物学评价第10部分：刺激与迟发型超敏反应试验》进行测试，采用最大限度试验Magnusson和Kligman法。皮肤刺激试验按照GB/T 16886-10《医疗器械生物学评价第10部分：刺激与迟发型超敏反应试验》进行测试。
结果表明：本发明上述实施例制备获得的细菌纤维素-聚氨酯复合材料细胞毒性小于2级，无皮肤致敏反应，无皮内刺激反应，具有良好的生物安全性。

Claims (15)

1.一种细菌纤维素-聚氨酯复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
将细菌纤维素微纤进行有机溶剂交换处理，获得不同浓度的细菌纤维素微纤的复合物A和复合物B；
其中，所述复合物A以重量份为100wt%计，包括30~50wt%的完全脱水的细菌纤维素微纤和余量的有机溶剂；所述复合物B以重量份为100wt%计，包括15~30wt%的部分脱水的细菌纤维素微纤和余量的有机溶剂；其中，部分脱水的细菌纤维素微纤中含有5~10wt%的水；
将复合物A和复合物B以体积比为1:（2~5）进行混合，于油浴条件下加入聚合物多元醇和二异氰酸酯类化合物进行加聚反应，反应得到细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体；将其固化后得到细菌纤维素-聚氨酯复合材料；
其中，所述聚合物多元醇和所述二异氰酸酯类化合物的重量比为1：（0.1~0.2）；所述聚合物多元醇占所述复合物A和所述复合物B总重量的20%~60%。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包括将菌株发酵得到的细菌纤维素进行纯化、均质处理得到细菌纤维素微纤的过程；其中，所述菌株包括木醋杆菌、根瘤菌属、八叠球菌属、假单胞菌属、无色杆菌属、产碱菌属、气杆菌属和固氮菌属中的一种或多种的组合。
3.根据权利要求1所述的方法，其还包括将菌株发酵得到的细菌纤维素进行纯化、均质处理得到细菌纤维素微纤的过程；其中，对细菌纤维素进行纯化的方法包括：
于70℃~100℃的温度下，将细菌纤维素在质量百分含量为4%~8%的氢氧化钠水溶液中洗涤4～6h，再用蒸馏水反复冲洗至中性，以除去细菌纤维素上的菌体蛋白和粘附在纤维素膜上的残余培养基，获得纯化后的细菌纤维素。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，对细菌纤维素进行均质处理的方法为：
采用高速分散机于5000~25000rpm的转速下，对纯化后的细菌纤维素均质5~10min，得到细菌纤维素微纤。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述细菌纤维素微纤的长度为0.1~10μm，直径为50~100nm。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述有机溶剂交换处理的方法为：
将细菌纤维素微纤浸泡于无水乙醇中，通过控制浸泡时间8-12h获得完全脱水后的细菌纤维素微纤和控制浸泡时间3-6h获得部分脱水后的细菌纤维素微纤；
将完全脱水后的细菌纤维素微纤浸泡于有机溶剂中48~72h，获得复合物A；
将部分脱水后的细菌纤维素微纤浸泡于有机溶剂中12~48h，获得复合物B。
7.根据权利要求1或6所述的方法，其中，所述有机溶剂包括乙基乙二醇乙酸酯、乙酸乙酯、丁内酯、乙酸和丙酮中的一种或多种的组合。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，进行加聚反应的条件为：70℃~80℃下恒温油浴，反应时间为60~90min；
优选地，所述聚合物多元醇包括聚乙二醇、聚环氧丙烷、丙二醇和一缩二乙二醇中的一种或多种的组合。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体进行固化的方法为：
向细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体中加入固化助剂并搅拌均匀，然后加入二异氰酸酯类化合物和水并搅拌均匀得到混合物，然后固化得到细菌纤维素-聚氨酯复合材料；
所述固化助剂的用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的0.5~2.6wt%；
所述二异氰酸酯类化合物和水的用量比为（20~40）：（2~5）；
固化中，所述二异氰酸酯类化合物的用量为所述聚合物多元醇用量的20%~50%；
优选地，所述二异氰酸酯类化合物包括甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯中的一种或多种的组合；
优选地，所述固化助剂包括催化剂、开孔剂和稳定剂；
所述催化剂包括三亚乙基二胺、二甲基乙醇胺、二月桂酸二丁基锡和辛酸亚锡中的一种或多种的组合；
所述开孔剂包括开孔硅油、硅油6070和聚丁二烯二醇中的一种或多种的组合；
所述稳定剂包括有机硅表面活性剂、椰油酰两性基乙酸钠、桂酰两性基乙酸钠和月桂酰两性基二乙酸二钠中的一种或多种的组合。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述催化剂的用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的0.3~1.5wt%；所述开孔剂的用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的0.1~1wt%；所述稳定剂的用量为细菌纤维素复合聚氨酯泡沫预聚体用量的0.1~0.5wt%。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述固化是将混合搅拌均匀的混合物置于模具中，于室温条件下静置2~7d。
12.一种细菌纤维素-聚氨酯复合材料，其包括大孔层和微孔层至少两层结构，大孔层的孔径为100~500μm，孔隙率为70%~90%，厚度为0.5~1cm；微孔层的孔径为10~80μm，孔隙率为60%~80%；厚度为0.1~0.3cm。
13.根据权利要求12所述的细菌纤维素-聚氨酯复合材料，其是采用权利要求1-11任一项所述制备方法制备获得的。
14.根据权利要求12所述的细菌纤维素-聚氨酯复合材料，其中，所述细菌纤维素微纤在复合材料中的质量占比为20~40wt%。
15.权利要求12-14任一项所述细菌纤维素-聚氨酯复合材料在人体修复材料、智能药物缓释材料和组织工程材料中的应用。
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