一種抗菌細菌纖維素及其製備方法
2023-05-28 01:17:26 3
一種抗菌細菌纖維素及其製備方法
【專利摘要】本發明提供了一種抗菌細菌纖維素及其製備方法，本發明利用細菌纖維素上大量存在的羥基官能團，通過表面改性引入季銨鹽抗菌基團，不破壞細菌纖維素膜的結構，維持其水合膠的形態，發揮其促進傷口癒合的功效，同時製得的抗菌細菌纖維素化學穩定性良好，抗菌效果持久。
【專利說明】一種抗菌細菌纖維素及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於生物醫用材料【技術領域】，具體涉及一種抗菌細菌纖維素及其製備方法。
【背景技術】
[0002]細菌纖維素作為人造皮膚或者創傷修復的替代材料，相比較於其他的材料如膠原蛋白、透明質酸和矽膠等，細菌纖維素具有類似於皮膚的網狀結構和機械支持力，且不需要經過複雜的化學反應只需要簡單的細菌培養就可以形成外形可控的水合膠，免疫排異性低，可以很好地促進傷口癒合，是一種良好的創傷修復材料。但是細菌纖維素本身不具備抗菌功能，很容易受到空氣或水中有害微生物的汙染，從而引發一系列的感染問題。
[0003]為了使細菌纖維素具備抗菌的功能，目前多採用浸泡吸附的方式將細菌纖維素置於殺菌劑溶液中，但殺菌劑的吸附效率及穩定性都不高，殺菌效果較差。
【發明內容】
[0004]為解決上述問題，本發明提供了一種抗菌細菌纖維素及其製備方法，所述抗菌細菌纖維素的製備方法條件溫和，製得抗菌細菌纖維素可以促進傷口癒合，且殺菌效果良好。
[0005]第一方面，本發明提供了一種抗菌細菌纖維素的製備方法，包括以下步驟:
[0006]( I)提供細菌纖維素；
[0007](2)將所述細菌纖維素置於不飽和羧酸中浸泡，然後加入阻聚劑，得到混合溶液，在所述混合溶液中加入催化劑，在室溫下進行酯化反應I~4h，得到含有不飽和鍵的酯化細菌纖維素溶液，純化後得到乾燥的含有不飽和鍵的酯化細菌纖維素；
[0008](3)將所述乾燥的含有不飽和鍵的酯化細菌纖維素用去離子水浸泡後，在惰性氛圍下，加入不飽和季銨鹽單體和引發劑得到反應液，所述反應液在50°C~60°C下進行加成反應和聚合反應2h~4h，得到季銨鹽聚合物修飾的酯化細菌纖維素即抗菌細菌纖維素，所述季銨鹽聚合物的一端通過共價鍵和酯化細菌纖維素相連。
[0009]優選地，步驟(1)中細菌纖維素的聚合度為10000~16000。
[0010]優選地，步驟(2)中所述阻聚劑為對苯二酚、2-叔丁基對苯二酚或2，5- 二叔丁基對苯二酚，所述阻聚劑的質量為所述細菌纖維素和不飽和羧酸總質量的0.1%~0.2%。
[0011]優選地，步驟(2)中所述不飽和羧酸為丙烯酸或甲基丙烯酸。
[0012]優選地，步驟(2)中所述催化劑為高氯酸或對甲苯磺酸，所述催化劑的添加體積為所述混合溶液體積的0.1%~0.2%。
[0013]為了促進酯化反應的進行，優選地，步驟(2)中在酯化反應過程中還加入酯化劑，所述酯化劑為甲基丙烯酸酐，所述酯化劑的質量為所述細菌纖維素質量的I~4倍。
[0014]優選地，步驟(3)中所述不飽和季銨鹽單體為甲基丙烯醯氧乙基三甲基氯化銨、丙
烯醯氧乙基三甲基氯化銨或烯丙基三甲基氯化銨。
[0015]優選地，步驟(3)中所述不飽和季銨鹽單體的摩爾量為所述含有不飽和鍵的酯化纖維素中葡萄糖單體摩爾量的I~3倍。 [0016]優選地，步驟(3)中所述引發劑為過硫酸鉀和亞硫酸氫鈉的混合物或過硫酸銨和亞硫酸氫鈉的混合物。
[0017]季銨鹽類抗菌劑已經發展到第六代一季銨鹽高分子抗菌劑，因其具有更高的電荷密度，相比小分子化合物抗菌能力更強。季銨鹽高分子抗菌劑除抗菌性能好之外，還有化學穩定性高，殘餘毒性低，容易加工，抗菌效果持久，環境汙染小，且在低的蒸汽壓下不揮發，不會滲透進入人的皮膚等優點，因此在許多應用領域已逐步替代傳統的小分子抗菌劑。
[0018]細菌纖維素的分子量大，空間位阻大，在細菌纖維素上直接連接季銨鹽聚合物比較困難，本發明通過細菌纖維素和不飽和羧酸的酯化反應在細菌纖維素分子上引入不飽和鍵，降低空間位阻，會更加容易地在細菌纖維素上引入季銨鹽聚合物。
[0019]本發明通過細菌纖維素和不飽和羧酸的酯化反應在細菌纖維素分子上引入不飽和鍵，然後通過加成反應，不飽和鍵發生斷裂，在原不飽和鍵位置引入不飽和季銨鹽單體，然後在引發劑的作用下，在酯化纖維素分子上引入的不飽和季銨鹽單體發生聚合反應得到季銨鹽聚合物。本發明通過將季銨鹽聚合物共價結合在細菌纖維素表面上，季銨鹽聚合物不會脫落，可達到高效持久的殺菌效果。跟小分子抗菌劑相比，所述季銨鹽聚合物修飾的酯化細菌纖維素即抗菌細菌纖維素與細菌細胞膜的結合力更強，從而實現更好的殺菌效果。
[0020]本發明利用細菌纖維素上大量存在的羥基官能團，通過表面改性引入季銨鹽抗菌基團，不破壞細菌纖維素膜的結構，維持其水合膠的形態，發揮其促進傷口癒合的功效，同時製得的抗菌細菌纖維素化學穩定性高，抗菌效果持久。
[0021]本發明製備方法條件溫和，加入的化學試劑多為水溶性，易將多餘的化學試劑除去。
[0022]第二方面，本發明提供了一種抗菌細菌纖維素，所述抗菌細菌纖維素通過本發明第一方面提供的製備方法製得。
[0023]本發明抗菌細菌纖維素在促進傷口癒合的同時，還具有高效持久的抗菌效果。
[0024]綜上，本發明有益效果包括以下幾個方面:
[0025](I)本發明製備方法條件溫和，製備方法簡單；
[0026](2)本發明製得的抗菌細菌纖維素在促進傷口癒合的同時，還具有高效持久的殺囷效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1是本發明實施例1製得的含有雙鍵的酯化纖維素的紅外光譜圖。
【具體實施方式】
[0028]以下所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護範圍。
[0029]第一方面，本發明提供了一種抗菌細菌纖維素的製備方法，包括以下步驟:
[0030](I)提供細菌纖維素；
[0031](2)將所述細菌纖維素置於不飽和羧酸中浸泡，然後加入阻聚劑，得到混合溶液，在所述混合溶液中加入催化劑，在室溫下進行酯化反應I~4h，得到含有不飽和鍵的酯化細菌纖維素溶液，純化後得到乾燥的含有不飽和鍵的酯化細菌纖維素；
[0032](3)將所述乾燥的含有不飽和鍵的酯化細菌纖維素用去離子水浸泡後，在惰性氛圍下，加入不飽和季銨鹽單體和引發劑得到反應液，所述反應液在50°C~60°C下進行加成反應和聚合反應2h~4h，得到季銨鹽聚合物修飾的酯化細菌纖維素即抗菌細菌纖維素，所述季銨鹽聚合物的一端通過共價鍵和酯化細菌纖維素相連。
[0033]步驟(1)中所述細菌纖維素的製備方法為:製備培養液，將細菌纖維素生產菌株按和培養液的體積比為1:100的比例接種到所述培養液中，然後在28°C~32°C靜態發酵，直至獲得厚度為I~5mm的細菌纖維素膜，將所述菌纖維素膜置於濃度為0.lmol/L的氫氧化鈉溶液中在80°C下振蕩破碎細胞30分鐘，反覆三次後，使用去離子水洗去破碎的細胞和氫氧化鈉，直到所述菌纖維素膜表面PH為中性，蒸汽滅菌後，冷凍乾燥備用。 [0034]所述培養液的成分為:0.1~0.4g/mL葡糖糖,0.03~0.06g/mL蛋白腖,0.02~0.03g/mL 酵母粉，0.01 ~0.02g/mL 磷酸氫二鈉，0.005 ~0.015g/mL 硫酸鎂，0.005 ~0.01g/mL硫酸銨,0.005~0.015mL/mL玉米糖眾提取液。
[0035]所述細菌纖維素生產菌株為木醋桿菌、產醋桿菌、醋化桿菌、巴氏醋桿菌、葡萄糖桿菌、農桿菌、根瘤菌、八疊球菌、洋蔥假單胞菌、椰毒假單胞菌或空腸彎曲菌。
[0036]步驟(1)中所述細菌纖維素的聚合度為10000~16000。
[0037]步驟(2)中所述細菌纖維素中的羥基和不飽和羧酸中的羧基發生酯化反應得到含有不飽和鍵的酯化細菌纖維素溶液。
[0038]採用末端為烯烴的不飽和脂肪酸。
[0039]步驟(2)中所述不飽和羧酸可以為丙烯酸或甲基丙烯酸，但不限於這幾種。
[0040]丙烯酸或甲基丙烯酸為購買得到。
[0041]步驟(2)中將所述細菌纖維素置於不飽和羧酸中浸泡I~2h。
[0042]步驟(2)中將所述細菌纖維素按固液比為0.02g/mL~0.03g/mL置於不飽和羧酸中浸泡I~2h。所述不飽和羧酸過量。
[0043]為了防止不飽和羧酸發生聚合反應，加入阻聚劑保護不飽和羧酸中的不飽和鍵，步驟(2)中所述阻聚劑為對苯二酚、2-叔丁基對苯二酚或2，5- 二叔丁基對苯二酚，所述阻聚劑的質量為所述細菌纖維素和不飽和羧酸總質量的0.1%~0.2%。
[0044]步驟(2)中所述催化劑為高氯酸或對甲苯磺酸，所述催化劑的添加體積為所述混合溶液體積的0.1%~0.2%。
[0045]在加入所述催化劑時，在所述混合溶液中加入一定量的甲苯。
[0046]為了促進酯化反應的進行，步驟(2)中在酯化反應過程中還加入酯化劑，所述酯化劑為甲基丙烯酸酐，所述酯化劑的質量為所述細菌纖維素質量的I~4倍。酯化劑的活性較羧酸大，促進空間位阻較大的細菌纖維素上羥基的酯化反應。
[0047]步驟(2)的純化方法為將含有不飽和鍵的酯化細菌纖維素取出，然後依次用甲醇和去離子水漂洗乾淨後，冷凍乾燥，得到乾燥的含有不飽和鍵的酯化細菌纖維素。
[0048]步驟(3)中所述不飽和季銨鹽單體和所述含有不飽和鍵的酯化細菌纖維素發生加成反應得到不飽和季銨鹽單體修飾的酯化細菌纖維素，所述不飽和季銨鹽單體修飾的酯化細菌纖維素在所述引發劑的作用下發生聚合反應，得到季銨鹽聚合物修飾的酯化細菌纖維素即抗菌細菌纖維素。
[0049]步驟(3)中將所述乾燥的含有不飽和鍵的酯化細菌纖維素用去離子水浸泡I~2h。
[0050]步驟(3)中將所述乾燥的含有不飽和鍵的酯化細菌纖維素按固液比為0.04g/mL~0.06g/mL在去離子水中浸泡I~2h。
[0051]步驟(3)中所述惰性氛圍為氮氣或氬氣氛圍。
[0052]步驟(3)中所述不飽和季銨鹽單體為含有不飽和鍵的季銨鹽，優選地，所述不飽和季銨鹽單體可以為甲基丙烯醯氧乙基三甲基氯化銨、丙烯醯氧乙基三甲基氯化銨或烯丙基三甲基氯化銨，但不限於這幾種。
[0053]步驟(3)中所述不飽和季銨鹽單體的摩爾量為所述含有不飽和鍵的酯化纖維素中葡萄糖單體摩爾量的I~3倍。
[0054]細菌纖維素為由葡萄糖單體以β_1，4糖苷鍵組成的大分子多糖，細菌纖維素每個葡萄糖單體上連接有三個羥基，通過酯化反應在葡萄糖單體上的羥基處引入不飽和鍵，然後通過加成反應，在原不飽和雙鍵位置部分或全部引入不飽和季銨鹽單體。
[0055]步驟(3)中所述引發劑為過硫酸鉀和亞硫酸氫鈉的混合物或過硫酸銨和亞硫酸氫鈉的混合物。
[0056]步驟(3)中所述引發劑為過硫酸銨(MM)2S2O8，在使用過硫酸銨作為引發劑的時候加入亞硫酸氫鈉(NaHSO3)構成氧化還原引發體系，從而使聚合反應的活化能大大降低，所述過硫酸銨和所述亞硫酸氫鈉的質量為所述含有不飽和鍵的酯化細菌纖維素和不飽和季銨鹽單體質量之和的0.05%~0.2%。
[0057]所述過硫酸銨與亞硫酸氫鈉的摩爾比為1:1。
[0058]步驟(3)中的純化方法為將含有季銨鹽聚合物修飾的細菌纖維素取出，用甲醇洗滌三次後再用去離子水洗淨，冷凍乾燥後保存。
[0059]本發明通過細菌纖維素和不飽和羧酸的酯化反應在細菌纖維素分子上引入不飽和鍵，然後通過加成反應，不飽和鍵發生斷裂，在原不飽和雙鍵位置引入不飽和季銨鹽單體，然後在引發劑的作用下，在酯化纖維素分子上引入的不飽和季銨鹽單體發生聚合反應得到季銨鹽聚合物。
[0060]季銨鹽類抗菌劑已經發展到第六代一季銨鹽高分子抗菌劑，因其具有更高的電荷密度，相比小分子化合物抗菌能力更強。高分子抗菌劑除抗菌性能好之外，還有化學穩定性高，殘餘毒性低，容易加工，抗菌效果持久，環境汙染小，且在低的蒸汽壓下不揮發，不會滲透進入人的皮膚等優點，因此在許多應用領域已逐步替代傳統的小分子抗菌劑。
[0061]為了在細菌纖維素分子上引入季銨鹽抗菌基團，本發明選擇既含有季銨鹽基團又含有可反應的不飽和鍵的不飽和季銨鹽單體一甲基丙烯醯氧乙基三甲基氯化銨、丙烯醯氧乙基三甲基氯化銨或烯丙基三甲基氯化銨，通過細菌纖維素與不飽和羧酸的酯化反應在細菌纖維素分子上引入不飽和鍵，這樣既引入了可反應的不飽和鍵，又降低了纖維素的空間位阻，使其更容易發生加成反應引入季銨鹽官能團。
[0062]本發明通過將季銨鹽聚合物共價結合在細菌纖維素表面上，使抗菌基團集中在細菌纖維素表面且濃度高，抗菌基團和細菌纖維素結合力強，不易脫落，可達到高效持久的殺囷效果。[0063]跟小分子抗菌劑相比，本發明製得的抗菌細菌纖維素的抗菌性有大幅度提高，主要是因為季銨鹽聚合物與細菌纖維素相結合後，季銨鹽聚合物正電荷的密度提高，與細菌細胞膜的結合力更強，從而實現更好的殺菌效果。
[0064]由於細菌纖維素具有類似皮膚的三維網狀結構和機械性能，具有良好的親和性和細胞相容性，且細菌纖維素攜帶足夠的水分，能夠給受損的皮膚提供良好的生長環境，促進受損的皮膚傷口癒合。
[0065]本發明利用細菌纖維素上大量存在的羥基官能團，通過表面改性引入季銨鹽抗菌基團，不破壞細菌纖維素膜的三維網狀結構，維持其水合膠的形態，有利於維持其持水保水能力，發揮其促進傷口癒合的功效，同時季銨鹽抗菌基團通過共價鍵連接在細菌纖維素上化學穩定性高，抗菌效果持久，且抗菌劑不會滲透進入人體，安全性好。
[0066]本發明製備方法反應條件溫和，試劑水溶，易於將多餘的試劑從材料上分離出去。
[0067]第二方面，本發明一種抗菌細菌纖維素，所述抗菌細菌纖維素通過本發明第一方面提供的製備方法製得。
[0068]本發明利用細菌纖維素上大量存在的羥基官能團，通過表面改性引入季銨鹽抗菌基團，不破壞細菌纖維素膜的結構，維持其水合膠的形態，發揮其促進傷口癒合的功效，製得的抗菌細菌纖維素抗菌效果持久、高效、安全性好。
[0069]以下結合具體實施例對本發明的具體實現進行詳細描述。
[0070]實施例1:
[0071](I)將ImL木醋桿菌接種到IOOmL培養液中，30°C靜態培養直到獲得厚度為5mm的細菌纖維素膜，將細菌纖維素膜置於濃度為0.lmol/L的氫氧化鈉溶液中在80°C下振蕩破碎細胞30分鐘，反覆三次後，使用去離子水洗去破碎的細胞和氫氧化鈉，直到細菌纖維素膜表面PH為中性，蒸汽滅菌後，冷凍乾燥備用；所述培養液的成分為:0.lg/mL葡糖糖，0.03g/mL 蛋白腖，0.02g/mL酵母粉，0.01g/mL磷酸氫二鈉，0.005g/mL硫酸鎂，0.005g/mL硫酸銨，0.005mL/mL玉米糖漿提取液；
[0072](2)取步驟(1)得到的細菌纖維素膜0.5g，置於20mL甲基丙烯酸中浸泡2h，加入質量為細菌纖維素膜質量和甲基丙烯酸總質量0.1%的阻聚劑對苯二酚，得到混合溶液，在混合溶液中加入25mL甲苯和0.1mL質量濃度為60%的高氯酸溶液，輕輕攪拌使混勻，再滴加2mL甲基丙烯酸酐，甲基丙烯酸酐的質量為細菌纖維素質量的4倍，邊加入邊攪拌，室溫靜置lh，細菌纖維素中的羥基和甲基丙烯酸中的羧基發生酯化反應得到含有雙鍵的酯化細菌纖維素溶液，將含有雙鍵的酯化細菌纖維素取出依次用甲醇和去離子水漂洗乾淨後，冷凍乾燥，得到乾燥的含有雙鍵的酯化細菌纖維素；圖1為細菌纖維素和本實施例製得的含有雙鍵的酯化細菌纖維素的紅外光譜圖，其中，B為未進行酯化反應的細菌纖維素的紅外光譜圖，C為本實施例製得的含有雙鍵的酯化細菌纖維素紅外光譜圖，從圖1中可以看出，C中細菌纖維素在3350.34cm-1處的-OH基伸縮振動峰發生明顯的衰減，表明反應過程中消耗了 -OH基團。C中在1725.0lcnT1處出現了尖銳的強吸收峰，判斷為酯羰基伸縮振動的特徵吸收峰。C中在1649.78CHT1處為C=C雙鍵的特徵吸收峰，這說明細菌纖維素羥基與甲基丙烯酸的羧基發生了酯化反應，並且在細菌纖維素中引入了雙鍵。
[0073]酯化反應方程式為:
[0074]
【權利要求】
1.一種抗菌細菌纖維素的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟: (1)提供細菌纖維素； (2)將所述細菌纖維素置於不飽和羧酸中浸泡，然後加入阻聚劑，得到混合溶液，在所述混合溶液中加入催化劑，在室溫下進行酯化反應I~4h，得到含有不飽和鍵的酯化細菌纖維素溶液，純化後得到乾燥的含有不飽和鍵的酯化細菌纖維素； (3)將所述乾燥的含有不飽和鍵的酯化細菌纖維素用去離子水浸泡後，在惰性氛圍下，加入不飽和季銨鹽單體和引發劑得到反應液，所述反應液在50°C~60°C下進行加成反應和聚合反應2h~4h，得到季銨鹽聚合物修飾的酯化細菌纖維素即抗菌細菌纖維素，所述季銨鹽聚合物的一端通過共價鍵和酯化細菌纖維素相連。
2.如權利要求1所述的抗菌細菌纖維素的製備方法，其特徵在於，步驟(1)中細菌纖維素的聚合度為10000~16000。
3.如權利要求1所述的抗菌細菌纖維素的製備方法，其特徵在於，步驟(2)中所述阻聚劑為對苯二酚、2-叔丁基對苯二酚或2，5- 二叔丁基對苯二酚，所述阻聚劑的質量為所述細菌纖維素和不飽和羧酸總質量的0.1%~0.2%。
4.如權利要求1所述的抗菌細菌纖維素的製備方法，其特徵在於，步驟(2)中所述不飽和羧酸為丙烯酸或甲基丙烯酸。
5.如權利要求1所述的抗菌細菌纖維素的製備方法，其特徵在於，步驟(2)中所述催化劑為高氯酸或對甲苯磺酸，所述催化劑的添加體積為所述混合溶液體積的0.1%~0.2%。
6.如權利要求1所述的抗菌細菌纖維素的製備方法，其特徵在於，步驟(2)中在酯化反應過程中還加入酯化劑，所述酯化劑為甲基丙烯酸酐，所述酯化劑的質量為所述細菌纖維素質量的I~4倍。`
7.如權利要求1所述的抗菌細菌纖維素的製備方法，其特徵在於，步驟(3)中所述不飽和季銨鹽單體為甲基丙烯醯氧乙基三甲基氯化銨、丙烯醯氧乙基三甲基氯化銨或烯丙基三甲基氯化銨。
8.如權利要求1所述的抗菌細菌纖維素的製備方法，其特徵在於，步驟(3)中所述不飽和季銨鹽單體的摩爾量為所述含有不飽和鍵的酯化纖維素中葡萄糖單體摩爾量的I~3倍。
9.如權利要求1所述的抗菌細菌纖維素的製備方法，其特徵在於，步驟(3)中所述引發劑為過硫酸鉀和亞硫酸氫鈉的混合物或過硫酸銨和亞硫酸氫鈉的混合物。
10.一種抗菌細菌纖維素，其特徵在於，所述抗菌細菌纖維素為按照權利要求1~9任一項所述的製備方法製得。
【文檔編號】A61L27/60GK103724568SQ201310751956
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】王金慧, 周陽, 胡陽, 周新, 朱勇軍, 潘浩波 申請人:深圳先進技術研究院