CN104083798B - 一种抗菌聚电解质复合纳米纤维膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种抗菌聚电解质复合纳米纤维膜及其制备方法,以氧化细菌纤维素纳米纤维膜为基膜,利用阴、阳离子聚电解质之间的静电作用,壳聚糖类阳离子聚合物,得到具有抗菌性能的聚电解质复合纳米纤维膜。具有良好亲水性和荷电性,利用阴、阳离子聚电解质之间静电相互作用,采用层层吸附法复合壳聚糖类阳离子聚合物,并可选择反复吸附,交替沉积形成多层复合纳米纤维膜。本发明的聚电解质复合纳米纤维膜保护了细菌纤维素膜独特的纳米纤维结构,抗菌层厚度纳米级可控,是一种具有较优抗菌性能、良好透气性、较强持水能力的理想的医用创伤敷料。
Description
技术领域:
本发明涉及生物医用材料和医疗器械等相关领域,特别涉及抗菌聚电解质复合纳米纤维膜及其制备方法。
背景技术:
纳米细菌纤维素(bacterial cellulose,BC)是一种通过微生物发酵合成的天然生物高聚物,具有生物活性、生物可降解性、生物适应性,以及高结晶度、高持水性、超细纳米纤维网络、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,并且纳米细菌纤维素采用微生物发酵合成,其性能和形状可调控,生产过程绿色环保,成本低,产率高。因此在伤口敷料、人工皮肤、药物缓释载体、组织工程支架材料等医用领域有广阔的应用前景。在医学应用方面,纳米细菌纤维素具有优异的生物相容性、高持水性和与皮肤的良好亲和与贴敷性,具有快速减轻疼痛、促进伤口愈合、减少感染几率、易于检查伤口、快速愈合,可随表皮再生而自然脱落,减少疤痕,降低治疗时间和成本等特性;纳米细菌纤维素潮湿情况下机械强度高,对液、气通透性好,与皮肤相容性好、无刺激,并且结构极为细密,隔离性和气体通透性均优于当今其他人造皮肤和外科敷料;纳米细菌纤维素纤维尺寸为纳米级的,其比表面积大,表面孔隙率高,故表面吸附性高,有利于药物在其表面的吸附和释放。可开发为系列功能性药物敷料,尤其有利于大面积伤口的杀菌和皮肤表面给药,促进创面的快速愈合和康复。综合以上分析,BC基功能敷料在促愈性能和性价比上具有不可比拟的优势。
但是,普通的纳米细菌纤维素膜本身没有抗菌性能,不能抑制伤口感染,其止血的能力也不足,促进伤口愈合的效果也不尽理想。因此,赋予纳米细菌纤维素膜的抗菌性能对其在医用材料领域的应用至关重要。
壳聚糖及其衍生物因其突出的抗菌活性、良好的生物降解性、生物相容性、以及吸湿保湿性等在生物医学领域备受关注,作为环境友好型抗菌剂,对酵母菌、霉菌、革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌都有抗菌性。公开号CN103463124A、CN103446180A的专利以共混方式制备抗菌细菌纤维素和壳聚糖复合凝胶,具有良好的成膜性以及隔离创面、保护伤口的作用。公开号CN103550817A的专利先由共混制备细菌纤维素/壳聚糖复合海绵,再通过粘合剂将其与聚丙烯非织造布粘结。公开号CN103550248A的专利设计了一种细菌纤维素/壳聚糖喷膜剂。公开号CN102727926A的专利通过浸泡、喷涂、涂敷等方法将多聚糖与细菌纤维素纳米纤维膜复合。可见,将壳聚糖类多糖与细菌纤维素复合目前大多采用共混、涂敷等方式,得到的复合纤维膜表面往往呈致密的传统浇铸膜结构。公开号CN103480027A、CN103483606A的专利通过静电纺丝法将壳聚糖纤维均匀覆盖到细菌纤维素膜表面制得湿性敷料,公开号CN103120803A的专利设计了一种电纺壳聚糖纤维膜、细菌纤维素纤维膜、无纺布纤维膜三层复合的抗菌敷料。这些复合纤维膜以二层或三层纤维结构堆砌,细菌纤维素膜仅作为载体,其本身独特的纳米纤维结构常常被表层的壳聚糖纤维遮盖。
进一步研究表明,低分子量季铵盐壳聚糖可以通过渗透作用穿过多孔细胞壁(尤其是革兰氏阴性菌,其细胞壁较薄,交联松散),进入细菌内部,破坏细胞质中内含物的胶体状态,使其絮凝、变性、无法进行正常的生理活动或者直接干扰其带负电荷的遗传物质DNA并阻碍mRNA的合成,抑制细菌的繁殖,导致微生物的死亡;而高分子量季铵盐壳聚糖则通过高分子长链先对菌细胞聚沉、絮凝,影响细菌对营养物质的吸收,阻止代谢废物的***,导致菌体的新陈代谢紊乱,从而起到杀菌和抑菌的作用。因此,需要设计一种能均匀负载壳聚糖分子且结合位点较多的,抗菌层厚度纳米级可控(不影响细菌纤维素独特纳米纤维结构)的复合纤维膜。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种抗菌聚电解质复合纳米纤维膜及其制备方法,具有能均匀负载壳聚糖分子且结合位点较多,抗菌层厚度纳米级可控的优点。
本发明的技术方案为:一种抗菌聚电解质复合纳米纤维膜,以氧化细菌纤维素纳米纤维膜为基膜,利用阴、阳离子聚电解质之间的静电作用,壳聚糖类阳离子聚合物,得到具有抗菌性能的聚电解质复合纳米纤维膜。
所述的基膜氧化细菌纤维素纳米纤维膜采用溴化钠、次氯酸钠、四甲基哌啶催化氧化制备。
所述的壳聚糖类阳离子聚合物为取代度为20%~90%的季铵盐型壳聚糖及其衍生物的一种或几种,含量占总重量的0.1~10%。
所述的抗菌聚电解质复合纳米纤维膜的制备方法,包括如下步骤:
(1)将细菌纤维素纳米纤维膜经溴化钠、次氯酸钠、四甲基哌啶碱性条件下反应得到带负电的氧化细菌纤维素纳米纤维膜,冷冻干燥;
(2)将步骤(1)中制得的带负电荷的氧化细菌纤维素纳米纤维膜浸于浓度为0.1~50g/L的壳聚糖类阳离子聚合物溶液中,1~10分钟后取出,用去离子水洗净表面残余的聚阳离子溶液;
(3)随后将膜浸于浓度为0.1~50g/L的聚阴离子溶液中,1~10分钟后取出,用去离子水洗净表面残余的聚阴离子溶液,继续将膜浸于浓度为0.1~50g/L的壳聚糖类聚阳离子溶液中,1~10分钟后取出,用去离子水洗净表面残余的聚阳离子溶液;
(4)重复步骤(3)的操作0~10次后,对聚电解质复合纳米纤维膜进行冷冻干燥、灭菌、包装。
阴离子聚合物为透明质酸、海藻酸及其衍生物的任一种或几种,含量占总重量的0.1~10%。
细菌纤维素膜具有独特纳米纤维结构,膜的大小和厚度可以通过调节发酵时间来调节。通过催化氧化细菌纤维素,得到表面含大量羧基的纳米纤维基膜,利用阴、阳离子聚电解质之间的静电作用,通过层-层吸附法,复合季铵盐型壳聚糖阳离子聚合物,并可选择重复吸附,交替沉积形成多层膜,制备聚电解质复合纳米纤维膜。层-层吸附法制备具有膜厚度纳米级可控、条件温和、操作简单等优点,制得的复合纳米膜具有很好的亲水性和荷电性。是构建复合纳米膜的最有效的方法之一。
有益效果:
1.本发明的一种抗菌聚电解质复合纳米纤维膜,以氧化细菌纤维素为基膜,表面含大量羧基,具有很好的亲水性和荷电性,能均匀负载壳聚糖类阳离子聚合物分子,且结合位点较多的。
2.本发明的一种抗菌聚电解质复合纳米纤维膜,抗菌剂与基膜间以静电相互作用,利于低分子量季铵盐型壳聚糖渗透穿过细胞壁,破坏细胞质中内含物的胶体状态或者影响菌体的新陈代谢的方式起到杀菌和抑菌的作用。
3.本发明的一种抗菌聚电解质复合纳米纤维膜的制备方法,细菌纤维素膜的大小和厚度可以通过调节发酵时间来调节,复合壳聚糖阳离子聚合物时,厚度纳米级可控,并可选择反复吸附,交替沉积形成多层膜。
4.本发明的制备过程简单易行、条件温和、无毒无害,并且制备的含季铵盐壳聚糖的纳米细菌纤维素膜具有良好的生物可降解性,对环境不构成破坏。
附图说明
图1为实施例2的杀菌性能电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明不用于限制本发明的范围。
一种抗菌聚电解质复合纳米纤维膜,以氧化细菌纤维素纳米纤维膜为基膜,利用阴、阳离子聚电解质之间的静电作用,壳聚糖类阳离子聚合物,得到具有抗菌性能的聚电解质复合纳米纤维膜。
基膜氧化细菌纤维素纳米纤维膜由木醋杆菌、根瘤菌、葡萄糖杆菌、产醋杆菌、醋化杆菌、巴氏醋杆菌、农杆菌、八叠球菌、假单胞菌、产碱菌或固氮菌中的一种或几种经发酵、分离碱化提纯后,经四甲基哌啶催化氧化制备。
所述的壳聚糖类阳离子聚合物为取代度为20%~90%的季铵盐型壳聚糖及其衍生物的一种或几种,含量占总重量的0.1~10%。
所述的抗菌聚电解质复合纳米纤维膜的制备方法,包括如下步骤:
(1)将市售的细菌纤维素纳米纤维膜经采用溴化钠、次氯酸钠、四甲基哌啶氧化改性得到带负电的细菌纤维素纳米纤维膜,冷冻干燥;具体方法参考CN101182561A纳米细菌纤维素醛基化改性的方法具体实施方式中记载。
(2)将步骤(1)中制得的带负电荷的基膜浸于浓度为0.1~50g/L的壳聚糖类阳离子聚合物溶液中,1~10分钟后取出,用去离子水洗净表面残余的聚阳离子溶液;
(3)随后将膜浸于浓度为0.1~50g/L的聚阴离子溶液中,1~10分钟后取出,用去离子水洗净表面残余的聚阴离子溶液,继续将膜浸于浓度为0.1~50g/L的壳聚糖类聚阳离子溶液中,1~10分钟后取出,用去离子水洗净表面残余的聚阳离子溶液。
(4)重复步骤(3)的操作0~10次后,对聚电解质复合纳米纤维膜进行冷冻干燥、灭菌、包装。
阴离子聚合物为透明质酸、海藻酸及其衍生物的一种或几种,含量占总重量的0.1~10%。
壳聚糖类阳离子聚合物为不同取代基团季铵盐型壳聚糖及其衍生物的一种或几种(本发明所用的季铵盐壳聚糖为自制,具体制备方法可以参考樊木,肖玲,杜予民.壳聚糖季铵盐分子结构与吸湿保湿性研究.武汉大学学报(理学版).2003,49(2):205-208和Sajomsang W.,Tantayanon S.,Tangpasuthadol V.etal.Quaternization of N-arylchitosan derivatives:synthesis,characterization,and antibacterialactivity.Carbohydrate Research.2009,344:2502–2511中的记载。
以采用阳离子醚化剂2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(EPTAC)与壳聚糖水溶液中合成,制得了不同取代度的季铵盐壳聚糖为例,来说明季铵盐壳聚糖的合成过程。本发明所用的季铵盐壳聚糖及其衍生物主要包括取代度为20%-90%的季铵盐壳聚糖衍生物。
称取壳聚糖6g(37.0mmol)分散在85℃的蒸馏水中,将16.817g EPTAC(111mmol)溶于21mL水中(n壳聚糖:nETMAC=1:3)分三次每隔2h加入到反应器中。反应8h,将清晰的黄色反应液倒入200mL冷丙酮中,充分搅拌,保持在冰箱中过夜。第二天,倒出在凝胶状产品上层的丙酮,注意不要将产物带出。剩下的凝胶状产品溶解在100mL甲醇中,为使其尽量充分溶解,置于磁力搅拌机上搅拌30min。然后再加入250mL丙酮-乙醇(V丙酮:V乙醇=4:1)使溶液中的产品充分沉淀。用布氏漏斗过滤沉淀,收集白色固体。将产品用长方形滤纸包裹成长条形放入索氏提取器,在95℃油浴条件下用乙醇提纯24h进一步纯化。将合成的样品在50℃过夜真空干燥获得最终取代度为88.3%的精制产品淡黄色粉末状羟丙基三甲基季铵盐壳聚糖。
实施例1.
经木醋杆菌发酵制得细菌纤维素膜(规格型号25*35cm;厚度3-4mm;供应商海南亿德食品有限公司),经机械压缩压出所含水份后,浸入含5wt%溴化钠、12wt%次氯酸钠、1wt%四甲基哌啶的水溶液中,不断搅拌,0~4℃反应4小时,用氢氧化钠调节pH为10。反应完成后用去离子水充分清洗氧化细菌纤维素膜,冷冻干燥。将氧化细菌纤维素膜浸于浓度为10g/L的季铵化N-芳基壳聚糖中,10分钟后取出,用去离子水洗净表面残余的聚阳离子溶液,冷冻干燥,即可得到含季铵化N-芳基壳聚糖的细菌纤维素纳米纤维膜。
实施例2.
经木醋杆菌发酵制得细菌纤维素膜(规格型号25*35cm;厚度3-4mm;供应商海南亿德食品有限公司),经机械压缩压出所含水份后,浸入含5wt%溴化钠、10wt%次氯酸钠、1wt%四甲基哌啶的水溶液中,不断搅拌,0~4℃反应6小时,用氢氧化钠调节pH为11。反应完成后用去离子水充分清洗氧化细菌纤维素膜,冷冻干燥。将氧化细菌纤维素膜浸于浓度为1g/L的含羟丙基三甲基季铵盐壳聚糖阳离子溶液中,2分钟后取出,用去离子水洗净表面残余的聚阳离子溶液,继续将膜浸于浓度为1g/L的透明质酸钠聚阴离子溶液中,2分钟后取出,用去离子水洗净表面残余的聚阴离子溶液,将膜在阴、阳离子聚电解质的浸泡过程重复10次,对聚电解质复合纳米纤维膜进行冷冻干燥,即可得到含羟丙基三甲基季铵盐壳聚糖的细菌纤维素纳米纤维膜。
实施例3.
经木醋杆菌发酵制得细菌纤维素膜(规格型号25*35cm;厚度3-4mm;供应商海南亿德食品有限公司),经机械压缩压出所含水份后,浸入含5wt%溴化钠、12wt%次氯酸钠、1wt%四甲基哌啶的水溶液中,不断搅拌,0~4℃反应6小时,用氢氧化钠调节pH为8。反应完成后用去离子水充分清洗氧化细菌纤维素膜,冷冻干燥。将氧化细菌纤维素膜浸于浓度为10g/L的N-丙基N,N-二甲基季铵盐壳聚糖阳离子溶液中,5分钟后取出,用去离子水洗净表面残余的聚阳离子溶液,将膜在阳离子聚电解质的浸泡过程重复3次,对聚电解质复合纳米纤维膜进行冷冻干燥,即可得到N-丙基N,N-二甲基季铵盐壳聚糖的细菌纤维素纳米纤维膜。
以实施例2为例观察含羟丙基三甲基季铵盐壳聚糖的细菌纤维素纳米纤维膜的杀菌性能(以大肠杆菌为例)
将10ul含菌量106cfu/mL大肠杆菌溶液滴至含羟丙基三甲基季铵盐壳聚糖的细菌纤维素纳米纤维膜上,在1000倍油镜,随着时间变化,观察膜上大肠杆菌的成活情况(图(a)为1min时,(b)为半小时后;(c)为1小时)。
Claims (3)
1.一种抗菌聚电解质复合纳米纤维膜,其特征在于:以氧化细菌纤维素纳米纤维膜为基膜,利用阴、阳离子聚电解质之间的静电作用,壳聚糖类阳离子聚合物,得到具有抗菌性能的聚电解质复合纳米纤维膜;所述的基膜氧化细菌纤维素纳米纤维膜采用溴化钠、次氯酸钠、四甲基哌啶催化氧化制备;所述的壳聚糖类阳离子聚合物为季铵化N-芳基壳聚糖、含羟丙基三甲基季铵盐壳聚糖阳离子、N-丙基N,N-二甲基季铵盐壳聚糖阳离子;所述的壳聚糖类阳离子聚合物为取代度为20%~90%的季铵盐型壳聚糖及其衍生物的一种或几种,含量占总重量的0.1~10%。
2.根据权利要求1所述的抗菌聚电解质复合纳米纤维膜的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将细菌纤维素纳米纤维膜经溴化钠、次氯酸钠、四甲基哌啶碱性条件下反应得到带负电的氧化细菌纤维素纳米纤维膜,冷冻干燥;
(2)将步骤(1)中制得的带负电荷的氧化细菌纤维素纳米纤维膜浸于浓度为0.1~50 g/L的壳聚糖类阳离子聚合物溶液中,1~10分钟后取出,用去离子水洗净表面残余的聚阳离子溶液;
(3)随后将膜浸于浓度为0.1~50 g/L的聚阴离子溶液中,1~10分钟后取出,用去离子水洗净表面残余的聚阴离子溶液,继续将膜浸于浓度为0.1~50 g/L的壳聚糖类聚阳离子溶液中,1~10分钟后取出,用去离子水洗净表面残余的聚阳离子溶液;
(4)重复步骤(3)的操作0~10次后,对聚电解质复合纳米纤维膜进行冷冻干燥、灭菌、包装。
3.根据权利要求2所述的抗菌聚电解质复合纳米纤维膜的制备方法,其特征在于:阴离子聚合物为透明质酸、海藻酸及其衍生物的任一种或几种,含量占总重量的0.1~10%。
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