一种氧化纳米细菌纤维素的制备方法

摘要

一种氧化纳米细菌纤维素的制备方法，属于生物医用材料及医疗器械相关领域。本发明方法包括以下步骤：取纳米细菌纤维素膜进行预处理和纯化处理得到纯化后的纳米细菌纤维素，剪切成不同规格的圆片或方片。将剪切好的纳米细菌纤维素置于洁净的或盛有特定浓度硝酸溶液的广口瓶内，将铜粉与浓硝酸反应产生的NO2/N2O4气体通入到广口瓶中氧化纳米细菌纤维素。氧化特定时间后取出样品用去离子水反复清洗，得到C6位为羧基的氧化纳米细菌纤维素。由此制备出的氧化纳米细菌纤维素具有优良降解性能、生物相容性、细胞亲和性及良好的止血性能和力学性能、优异的透水、透气和引流、吸湿效果，在作为植入材料和创伤止血材料方面均有较高的应用价值。

权利要求

1.一种氧化纳米细菌纤维素的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、纳米细菌纤维素膜的预处理：取纳米细菌纤维素膜用清水多次冲洗，除去纳米细菌纤维素膜表面培养基及杂质；再将纳米细菌纤维素膜浸泡于0.1mol/L的NaOH溶液中，

80-100℃下煮沸90min，洗出纳米细菌纤维素膜中的菌体和残留培养基；再将纳米细菌纤维素膜浸泡于0.05mol/L的NaOH溶液中，80-100℃下煮沸60min，然后用蒸馏水多次冲洗；

步骤二、纳米细菌纤维素膜的纯化：将上述预处理的纳米细菌纤维素膜通过紫外线消毒，达到工艺灭菌要求，且之后的工艺要求无菌操作；将上述消毒之后的纳米细菌纤维素膜用蒸馏水浸泡3-5次，用pH试纸轻压膜测pH值，最终控制纳米细菌纤维素膜pH值为7.2，得到纯化后的纳米细菌纤维素膜；纳米细菌纤维素膜的剪切：将预处理及纯化后的纳米细菌纤维素膜剪切成直径为10-30mm的圆片，或不同规格的方形膜片待氧化；

步骤三、纳米细菌纤维素膜的氧化：采用溶液氧化法，利用铜粉与浓硝酸反应产生的 NO2/N2O4气体氧化剪切好的纳米细菌纤维素膜；氧化时间为1小时-15天，氧化后用去离子水反复清洗，得到氧化纳米细菌纤维素，其中，所述溶液氧化法氧化纳米细菌纤维素膜的方法具体步骤为：配置10%-60%不同浓度的硝酸溶液，将剪切好的纳米细菌纤维素膜和上述一定浓度的硝酸溶液同时置于洁净的广口瓶中，铜粉置于气体发生装置中的锥形瓶内，向漏斗中倒入适量浓硝酸，缓慢打开阀门使铜粉与浓硝酸发生反应，控制阀门开口大小使反应产生的NO2/N2O4气体均匀并由导管通入到该广口瓶中，另一导管导出的废气由氢氧化钠溶液吸收； NO2/N2O4气体的供应保持持续、均匀，根据需要添加铜粉和浓硝酸。

2.根据权利要求1所述的氧化纳米细菌纤维素的制备方法，其特征在于：所述蒸馏水为双重蒸馏。

3.根据权利要求1所述的氧化纳米细菌纤维素的制备方法，其特征在于：所述纳米细菌纤维素膜是由醋杆菌属、八叠球菌属、假单胞菌属、根瘤菌属、无色杆菌属、产碱菌属、气杆菌属、固氮菌属、土壤杆菌属九属细菌中的某几种经发酵产生，所产纳米细菌纤维素具有三维多孔网络结构。

说明书

一种氧化纳米细菌纤维素的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于生物医用材料及医疗器械相关领域，特别涉及同一氧化体系两种制备氧化细菌纤维素的方法及用途。

背景技术

[0002] 细菌纤维素（BC），又称微生物纤维素，是一种天然的生物高聚物，由β-D-葡萄糖通过β-1，4-糖苷键连接而成的一种无分支的大分子直链聚合物。BC具有生物活性、生物可降解性、生物适应性，具有高结晶度、高纯度、高持水性、超细纳米纤维网络、高透气性、高透水性、高湿强度、高抗张强度和弹性模量等许多独特的物理、化学和机械性能。细菌纤维素这些的优异性能，使得它在生物医用材料领域有着非常广泛的应用前景。自1987 年以来有近10个皮肤伤病医疗单位已报道400多例应用BC膜治疗烧伤、烫伤、褥疮、皮肤移植、创伤和慢性皮肤溃疡等取得成功的实例，现已有用其制成的人工皮肤、纱布、绷带和“创可贴”等伤科敷料商品。2006年有人研究了细菌纤维素作为潜在的组织工程血管支架的机械性能，结果表明细菌纤维的应变能力与动脉血管相似，平滑肌细胞早细菌纤维素上的吸附、增殖、向内生长的情况良好，培养两个星期后可向内生长40μm。在生物支架材料方面，细菌纤维素有着与骨头纤维在形态学上一致的结构和组成，研究证明BC可作为一种合适的基质用于生物陶瓷沉积和晶核的形成，该材料还可以作为骨头再生的治疗性植入物用于治疗骨头损伤。

[0003] 但是，人体内没有细菌纤维素酶，使得细菌纤维素作为支架材料在体内的降解受到了阻碍，从而限制了其在体内的应用。而氧化是改变其体内降解性能的简单有效的方法之一。细菌纤维素C6位的氧化体系目前有NO2/N2O4氧化体系、硝酸盐类氧化体系、以85%磷酸为溶剂的均相氧化体系、TEMPO共氧化剂体系等。其中次氯酸盐，亚硝酸钠、硝酸钠的磷酸溶液两个氧化体系属于非完全选择性氧化，氧化C6羟基的同时还会造成C2、C3位羟基的氧化，且氧化产物不稳定，需要经过还原处理才能稳定存在，因此应用的较少；氯酸钠、溴酸钠、亚氯酸钠氧化体系选择氧化能力虽高，但会造成C2、C3位环的裂解以及大分子得解聚，该氧化体系也不是理想的选择。目前，细菌纤维素的氧化体系研究主要集中TEMPO-NaClO-NaBr氧化体系。但是此体系的氧化剂价格昂贵，存在毒性，不易彻底清除，且随着氧化剂浓度的增大，氧化同时伴随的降解也越来越剧烈。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于解决现有氧化方法中存在的副反应较强（降解严重）、氧化剂的选择氧化性不高、氧化剂不易去除的等问题。

[0005] 本发明的目的通过以下方式实现氧化细菌纤维素的制备，方法及步骤如下：

[0006] 步骤一、纳米细菌纤维素膜的预处理：取纳米细菌纤维素膜用清水多次冲洗，除去纳米细菌纤维素膜表面培养基及杂质；再将纳米细菌纤维素膜浸泡于0.1mol/L的NaOH溶液，80-100℃下煮沸90min，洗出纳米细菌纤维素膜中的菌体和残留培养基；再将纳米细菌纤维素膜浸泡于0.05mol/L的NaOH溶液，80-100℃下煮沸60min，然后用蒸馏水多次冲洗；

[0007] 步骤二、纳米细菌纤维素膜的纯化：将上述预处理的纳米细菌纤维素膜通过紫外线消毒，达到工艺灭菌要求，且之后的工艺要求无菌操作；将上述消毒之后的纳米细菌纤维素膜用蒸馏水浸泡3-5次，用pH试纸轻压膜测pH值，最终控制纳米细菌纤维素膜PH值为7.2，得到纯化后的纳米细菌纤维素膜。将预处理及纯化后的纳米细菌纤维素膜剪切成直径为10-30mm的圆片，或不同规格的方形膜片待氧化；

[0008] 步骤三、纳米细菌纤维素膜的氧化：采用气态氧化法或溶液氧化法，利用铜粉与浓硝酸反应产生的NO2/N2O4气体氧化剪切好的纳米细菌纤维素膜。氧化时间为1小时-15天，氧化后用去离子水反复清洗，得到氧化纳米细菌纤维素。

[0009] 步骤三中的氧化方法具体步骤如下：

[0010] 1）气态氧化法：将剪切好的纳米细菌纤维素膜置于洁净的广口瓶中，铜粉置于气体发生装置中的锥形瓶内，向漏斗中倒入适量浓硝酸，缓慢打开阀门使铜粉与浓硝酸发生反应，控制阀门开口大小使反应产生的NO2/N2O4气体均匀并由导管通入到该广口瓶中，另一导管导出的废气由氢氧化钠溶液吸收。当瓶内颜色变为棕褐色时用塞子密封广口瓶，于干燥阴凉处静置氧化。

[0011] 2）溶液氧化法：配置10%-60%不同浓度的硝酸溶液，将剪切好的纳米细菌纤维素膜和上述一定浓度的硝酸溶液同时置于洁净的广口瓶中，铜粉置于气体发生装置中的锥形瓶内，向漏斗中倒入适量浓硝酸，缓慢打开阀门使铜粉与浓硝酸发生反应，控制阀门开口大小使反应产生的NO2/N2O4气体均匀并由导管通入到该广口瓶中，另一导管导出的废气由氢氧化钠溶液吸收。NO2/N2O4气体的供应保持持续、均匀，根据需要添加铜粉和浓硝酸。

[0012] 由上述的制备氧化纳米细菌纤维素的方法制备出的C6位羧基氧化纳米细菌纤维素产物均一，伴随的副反应小，氧化率达5%-60%，在PBS溶液中的降解性能得到明显改善。根据上述制备氧化纳米细菌纤维素的方法制备出的氧化纳米细菌纤维素氧化率和降解率可控，透水透气性能良好，且获得了微观上较大的纤维束直径和孔隙，便于营养物质的运输及细胞的长入，并保持着原有的力学性能和生物相容性，扩大了其作为植入材料的应用领域及前景。此外，由上述的制备氧化细菌纤维素的方法制备出的氧化纳米细菌纤维素具有良好的止血性能，表明其作为止血材料具有潜在的可能。图1为氧化过程反应式；图2为纳米细菌纤维素的红外光谱图，显示了其典型的吸收峰；图3为在气体环境中氧化12天的氧-1
化纳米细菌纤维素红外光谱图，在1735cm 处可见与C=O相应的收缩振动峰处存在，证明纳米细菌纤维素已被氧化；图4为40%硝酸溶液环境中氧化10h的微观形貌及红外光谱图，结果与图3一致。

[0013] 所述纳米细菌纤维素膜是由醋杆菌属、八叠球菌属、假单胞菌属、根瘤菌属、无色杆菌属、产碱菌属、气杆菌属、固氮菌属、土壤杆菌属等九属细菌中的某几种经发酵产生，所产纳米细菌纤维素具有三维多孔网络结构。

[0014] 本发明涉及氧化细菌纤维素的制备原理是：NO2/N2O4氧化体系能将纤维素C6位上的羟基选择氧化成羧基，以此氧化细菌纤维素，能得到C6位的羧基氧化细菌纤维素，且在硝酸溶液中实施氧化，氧化速度更快，氧化率更高，同时不影响其力学性能和生物相容性。

[0015] 本发明采用NO2/N2O4作为氧化剂，分别在气体环境和液体环境（硝酸溶液）中对纳米细菌纤维素进行氧化，并对比气体和液体环境中的氧化效果，以期得到降解性能更好的羧酸纳米细菌纤维素。本发明提出细菌纤维素同一氧化体系两种不同的环境的氧化方法，在不同环境下由此氧化剂氧化的到的氧化细菌纤维素保持了原始细菌纤维素的三维纳米网络结构和足够的机械强度，在PBS溶液中有着良好的降解性能，同时还具有较好的止血性能，在扩大了其作为植入材料在体内的应用的同时，还可作为止血敷料在创面愈合过程起到促进作用。

[0016] 与以往的细菌纤维素氧化方法相比，本发明具有如下优点和有益效果：

[0017] 1、本发明所获得氧化纳米细菌纤维素膜，有优异的生物相容性和细胞亲和性，分别对细胞的增殖、分化及吞噬功能有促进作用，可作为植入材料在体内得到应用，同时具有止血功能，可促进创面止血及愈合，可作为止血敷料在体表得到应用。

[0018] 2、本发明利用纳米细菌纤维素具有的独特结构和性质，制备出氧化纳米细菌纤维素膜，使纳米细菌纤维素获得了优异的降解性能，并且氧化速率高、氧化产物均一，氧化率、降解性可控；

[0019] 3、本发明采用独特的方法氧化纳米细菌纤维素，克服了现有氧化方法中存在的副反应较强（降解严重）、氧化剂的选择氧化性不高、氧化剂不易去除的等问题。

[0020] 4、本发明的制备过程简单，工艺成熟，适合于氧化纳米细菌纤维素的工业生产。

附图说明

[0021] 图1氧化过程反应式；

[0022] 图2为纳米细菌纤维红外光谱图，显示了其典型的化学结构及相应的吸收峰；

[0023] 图3为在气体环境中氧化12天的氧化纳米细菌纤维素红外光谱图，在1735cm-1处可见羧基收缩振动峰的存在，证明纳米细菌纤维素已被氧化；

[0024] 图4为40%硝酸溶液环境中氧化10h的红外光谱图，结果与图3一致。

具体实施方式

[0025] 以下结合附图，通过具体实例对本发明的一种气体环境下氧化细菌纤维素和液体环境下氧化细菌纤维素制备方法做进一步说明。

[0026] 实施例一

[0027] 步骤1、纳米细菌纤维素膜的预处理。

[0028] 取纳米细菌纤维素用清水多次冲洗，除去纳米细菌纤维素膜表面培养基及杂质；再将纳米细菌纤维素膜浸泡于0.1mol/L的NaOH溶液，85℃下煮沸90min，洗出纳米细菌纤维素膜中的菌体和残留培养基；再将纳米细菌纤维素膜浸泡于0.05mol/L的NaOH溶液，
85℃下煮沸60min，然后用蒸馏水多次冲洗；

[0029] 步骤2、纳米细菌纤维素膜的纯化。

[0030] 将上述预处理的纳米细菌纤维素膜通过紫外线消毒，达到工艺灭菌要求，且之后的工艺要求无菌操作；将上述消毒之后的纳米细菌纤维素膜用蒸馏水浸泡3-5次，用pH试纸轻压膜测pH值，最终控制纳米细菌纤维素膜PH值为7.2，得到纯化后的纳米细菌纤维素膜。用自制钻头将预处理及纯化后的纳米细菌纤维素膜剪切成直径为15mm的圆片待氧化；

[0031] 步骤3、纳米细菌纤维素膜的氧化。

[0032] 将剪切好的纳米细菌纤维素膜置于洁净的广口瓶中，铜粉置于气体发生装置中的锥形瓶内，向漏斗中倒入适量浓硝酸，缓慢打开阀门使铜粉与浓硝酸发生反应，控制阀门开口大小使反应产生的NO2/N2O4气体均匀并由导管通入到该广口瓶中，另一导管导出的废气由氢氧化钠溶液吸收。当瓶内颜色变为棕褐色时用塞子密封广口瓶，于干燥阴凉处静置氧化6天后取出，用去离子水反复清洗，得到氧化纳米细菌纤维素。

[0033] 所述氧化纳米细菌纤维素的制备方法所使用的蒸馏水为双重蒸馏。

[0034] 实施例二

[0035] 步骤1、纳米细菌纤维素膜的预处理。

[0036] 取纳米细菌纤维素用清水多次冲洗，除去纳米细菌纤维素膜表面培养基及杂质；再将纳米细菌纤维素膜浸泡于0.1mol/L的NaOH溶液，90℃下煮沸90min，洗出纳米细菌纤维素膜中的菌体和残留培养基；再将纳米细菌纤维素膜浸泡于0.05mol/L的NaOH溶液，
90℃下煮沸60min，然后用蒸馏水多次冲洗；

[0037] 步骤2、纳米细菌纤维素膜的纯化。

[0038] 将上述预处理的纳米细菌纤维素膜通过紫外线消毒，达到工艺灭菌要求，且之后的工艺要求无菌操作；将上述消毒之后的纳米细菌纤维素膜用蒸馏水浸泡3-5次，用pH试纸轻压膜测pH值，最终控制纳米细菌纤维素膜PH值为7.2，得到纯化后的纳米细菌纤维素膜。用自制钻头将预处理及纯化后的纳米细菌纤维素膜剪切成直径为25mm的圆片待氧化；

[0039] 步骤3、纳米细菌纤维素膜的氧化。

[0040] 配置20%的硝酸溶液，将剪切好的纳米细菌纤维素膜和上硝酸溶液同时置于洁净的广口瓶中，铜粉置于气体发生装置中的锥形瓶内，向漏斗中倒入适量浓硝酸，缓慢打开阀门使铜粉与浓硝酸发生反应，控制阀门开口大小使反应产生的NO2/N2O4气体均匀并由导管通入到该广口瓶中，另一导管导出的废气由氢氧化钠溶液吸收。NO2/N2O4气体的供应保持持续、均匀，根据需要添加铜粉和浓硝酸。氧化15小时后取出样品，用去离子水反复清洗，得到氧化纳米细菌纤维素。

[0041] 所述氧化纳米细菌纤维素的制备方法所使用的蒸馏水为双重蒸馏。

[0042] 实施例三

[0043] 步骤1、纳米细菌纤维素膜的预处理。

[0044] 取纳米细菌纤维素膜用清水多次冲洗，除去纳米细菌纤维素膜表面培养基及杂质；再将纳米细菌纤维素膜浸泡于0.1mol/L的NaOH溶液，95℃下煮沸90min，洗出纳米细菌纤维素膜中的菌体和残留培养基；再将纳米细菌纤维素膜浸泡于0.05mol/L的NaOH溶液，95℃下煮沸60min，然后用蒸馏水多次冲洗；

[0045] 步骤2、纳米细菌纤维素膜的纯化。

[0046] 将上述预处理的纳米细菌纤维素膜通过紫外线消毒，达到工艺灭菌要求，且之后的工艺要求无菌操作；将上述消毒之后的纳米细菌纤维素膜用蒸馏水浸泡3-5次，用pH试纸轻压膜测pH值，最终控制纳米细菌纤维素膜PH值为7.2，得到纯化后的纳米细菌纤维素膜。将预处理及纯化后的纳米细菌纤维素膜剪切成规格为20×40mm的方膜片待氧化；

[0047] 步骤3、纳米细菌纤维素膜的氧化。

[0048] 将剪切好的纳米细菌纤维素膜置于洁净的广口瓶中，铜粉置于气体发生装置中的锥形瓶内，向漏斗中倒入适量浓硝酸，缓慢打开阀门使铜粉与浓硝酸发生反应，控制阀门开口大小使反应产生的NO2/N2O4气体均匀并由导管通入到该广口瓶中，另一导管导出的废气由氢氧化钠溶液吸收。当瓶内颜色变为棕褐色时用塞子密封广口瓶，于干燥阴凉处静置氧化12天后取出，用去离子水反复清洗，得到氧化纳米细菌纤维素。

[0049] 所述氧化纳米细菌纤维素的制备方法所使用的蒸馏水为双重蒸馏。

[0050] 实施例四

[0051] 步骤1、纳米细菌纤维素膜的预处理。

[0052] 取纳米细菌纤维素膜用清水多次冲洗，除去纳米细菌纤维素膜表面培养基及杂质；再将纳米细菌纤维素膜浸泡于0.1mol/L的NaOH溶液，100℃下煮沸90min，洗出纳米细菌纤维素膜中的菌体和残留培养基；再将纳米细菌纤维素膜浸泡于0.05mol/L的NaOH溶液，100℃下煮沸60min，然后用蒸馏水多次冲洗；

[0053] 步骤2、纳米细菌纤维素膜的纯化。

[0054] 将上述预处理的纳米细菌纤维素膜通过紫外线消毒，达到工艺灭菌要求，且之后的工艺要求无菌操作；将上述消毒之后的纳米细菌纤维素膜用蒸馏水浸泡3-5次，用pH试纸轻压膜测pH值，最终控制纳米细菌纤维素膜PH值为7.2，得到纯化后的纳米细菌纤维素膜。将预处理及纯化后的纳米细菌纤维素膜剪切成规格为30×50 mm的方膜片待氧化；

[0055] 步骤3、纳米细菌纤维素膜的氧化。

[0056] 配置40%的硝酸溶液，将剪切好的纳米细菌纤维素膜和上述硝酸溶液同时置于洁净的广口瓶中，铜粉置于气体发生装置中的锥形瓶内，向漏斗中倒入适量浓硝酸，缓慢打开阀门使铜粉与浓硝酸发生反应，控制阀门开口大小使反应产生的NO2/N2O4气体均匀并由导管通入到该广口瓶中，另一导管导出的废气由氢氧化钠溶液吸收。NO2/N2O4气体的供应保持持续、均匀，根据需要添加铜粉和浓硝酸。氧化10小时后取出样品，用去离子水反复清洗，得到氧化纳米细菌纤维素。

[0057] 所述氧化纳米细菌纤维素的制备方法所使用的蒸馏水为双重蒸馏。

[0058] 以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。