CN111303449B - 可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶及制备与应用 - Google Patents

可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶及制备与应用 Download PDF

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Abstract

本发明一种可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶及制备与应用，属于生物医药技术领域。制备方法为将细菌纤维素后溶解到预冷的含有尿素的碱溶液中，得到细菌纤维素溶液；将MXene纳米材料加入到细菌纤维素溶液中，再加入交联剂，得到混合溶液；将混合溶液倒入模具中，并置于4℃～8℃条件下静置，使细菌纤维素与MXene纳米材料发生交联，以及使细菌纤维素之间发生交联，得到可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶。本发明的复合水凝胶不仅具有良好的电活性、可降解性，还具有良好的机械性能与生物相容性；另外，其能通过与外源电刺激耦合共同作用促进细胞粘附、生长、铺展、增殖等，可应用于皮肤伤口敷料，对促进皮肤伤口愈合与组织再生具有良好的疗效。

Description

可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶及制备与应用
技术领域
本发明涉及生物医药技术领域，具体涉及一种可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶及制备与应用。
背景技术
皮肤伤口愈合是一个精确而复杂的过程，包括炎症、肉芽组织形成、基质重塑以及再上皮化这四个阶段。伤口敷料可以加速伤口愈合，减少疤痕形成并进一步增强皮肤组织再生的屏障。为了促进伤口愈合，使得伤口敷料的使用成为一种必须。基于此，迄今为止，已开发出多种伤口敷料，如棉花、羊毛、天然或合成的绷带、纱布等，这些传统的干的伤口敷料虽然在伤口愈合的最初阶段具有很重要的作用，但它们比较干燥且不能为伤口提供潮湿的环境，并且容易粘连在伤口表面，因此在移除时会引起伤口的二次创伤。
为了解决上述这些问题，作为一种具有很高固有水含量的三维(3D)交联的亲水性聚合物网络，水凝胶敷料引起研究人员的极大关注。水凝胶因其具有很高的含水量和三维的空间网络结构，因此可以维持伤口表面湿润的环境，提供足够的气体交换和去除多余的组织渗出物，并冷却伤口表面，从而不仅解决了伤口表面脱水的问题，也能防止组织渗出物过多造成的伤口感染，并且为患者减轻疼痛。进一步地，水凝胶敷料不粘连伤口表面，从而可以很容易地去除而不会引起伤口的二次创伤，除此之外，它们也具有出色的生物相容性，因此，相比传统的干的敷料而言，水凝胶敷料呈现出显著的优势，在促进伤口的愈合方面具有巨大的应用前景。
另外，大量的研究表明，在伤口愈合过程中，伤口部位会产生自发的内源性直流电场(DC-EFs)，其中产生的生理电信号可以调节细胞行为(如细胞黏附、增殖、迁移和分化)，从而促进伤口愈合和组织再生。因此，受到自发的内源性电场作用的启发，人们通过模拟外源性电场或者电刺激进而来达到伤口愈合的作用。皮肤是电刺激性组织之一，电导率值为2.6mS/cm至1×10-4mS/cm。据报道，外源电场或者电刺激能够通过促进皮肤的角质形成细胞，成纤维细胞和上皮细胞的增殖和迁移而诱导皮肤伤口重新上皮化，进而提高伤口闭合率和组织的再生程度。
基于以上两点，开发一种电活性水凝胶，通过其耦合电场刺激来达到更加快速地治疗皮肤损伤的效果将会成为一个发展的趋势。尽管目前人们也已经开发出了多种水凝胶敷料，但这种技术仍存在一定的缺陷，如制备的水凝胶的韧性、机械性能不够强，从而限制了其在伤口辅料方面的应用。另外，大多数敷料，包括水凝胶伤口敷料，不具有电活性，以致于在伤口愈合过程中无法响应生理电信号或伤口部位的外源电场刺激而加速伤口愈合；再者，多数水凝胶敷料很难降解，也会造成其使用后对环境的污染。
发明内容
本发明解决了现有技术中凝胶敷料不具有电活性，韧性和机械强度不够，以及难降解的技术问题。为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶及制备与应用，制备方法为将细菌纤维素溶解后，将MXene纳米材料加入到细菌纤维素溶液中，再加入交联剂，得到混合溶液，将该混合溶液倒入模具中，并置于4℃～8℃条件下静置，使细菌纤维素与MXene纳米材料发生交联，以及使细菌纤维素之间发生交联，得到可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶。由本发明的制备方法得到的细菌纤维素/MXene复合水凝胶不仅具有生物降解性、良好的导电性、机械性能与吸水性能，而且具有优异的生物相容性。进一步地，该复合水凝胶能在与电刺激的共同作用下促进皮肤细胞的增殖活力，进而促进伤口的愈合，因此其在制备皮肤伤口敷料方面具有重要的应用价值。
按照本发明的第一方面，提供了一种可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将细菌纤维素粉碎后溶解到预冷的含有尿素的碱溶液中，得到透明的细菌纤维素溶液；所述溶解过程的温度为-8℃～-20℃；
(2)将MXene纳米材料加入到步骤(1)得到的透明的细菌纤维素溶液中，再加入交联剂，得到混合溶液，所述混合溶液中MXene纳米材料的质量分数为0.1％～2％；
(3)将步骤(2)得到的混合溶液倒入模具中，并置于4℃～8℃条件下静置，使细菌纤维素与MXene纳米材料发生交联，以及使细菌纤维素之间发生交联，得到可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶。
优选地，所述MXene纳米材料为Ti3C2纳米材料。
优选地，步骤(3)中所述静置的时间为12～36h。
优选地，所述细菌纤维素溶液中细菌纤维素的质量百分数为2～4％，所述细菌纤维素与交联剂的质量体积比为4g：3～6mL。
优选地，步骤(2)所述的MXene纳米材料的制备方法为：将钛碳铝陶瓷材料加入到氢氟酸溶液中，在磁力搅拌的作用下，所述钛碳铝陶瓷材料被刻蚀得到MXene纳米材料。
优选地，所述氢氟酸溶液的质量分数为30～49％，钛碳铝陶瓷材料与氢氟酸溶液的质量体积比为1g:10～13mL；磁力搅拌的转速为400～600rpm，刻蚀反应温度为40～60℃，刻蚀反应时间为24～36h。
按照本发明的另一方面，提供了任一所述制备方法制备得到的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶。
优选地，所述复合水凝胶内部为互相连通的三维网络多孔结构，孔径为100～500μm。
按照本发明的另一方面，提供了所述的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶在制备皮肤伤口敷料中的应用。
优选地，所述复合水凝胶与电刺激进行耦合，促进细胞的粘附、生长、铺展和增殖，所述电刺激的电压为50mV-400mV。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
(1)本发明的复合水凝胶制备方法工艺简单、易于控制、成本低廉，从原料使用到制备工艺过程均绿色无污染，利于工业大规模生产。采用本发明方法制备的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶具有双层结构，作为伤口敷料其致密的外层有助于防止伤口脱水并避免细菌入侵，而多孔支撑层则通过细菌纤维素形成的孔壁提供机械强度，并提供足够的空间吸收伤口渗出液并保留大量水。
(2)相比传统的干敷料，本发明的复合水凝胶不会与伤口表面粘连，容易取出换药，避免了传统的敷料与伤口粘连而造成的二次创伤。与现有技术的水凝胶相比，本发明的复合水凝胶具有良好的生物可降解性，其在纤维素酶的作用下可以很快被降解，能够很好地避免了使用后对环境造成的污染；其具有优良的机械性能，不仅有良好的压缩与拉伸强度，而且有很高的压缩与拉伸应变，是一种具有极好柔性与弹性的水凝胶；另外其还具有良好的导电性、吸水性能和优异的生物相容性，能在与电刺激的共同作用下促进皮肤细胞的增殖活力，进而促进伤口的愈合，在皮肤伤口敷料方面具有潜在的应用前景。
(3)本发明中，MXene纳米材料和细菌纤维素溶液的混合溶液中，MXene纳米材料的质量分数为0.1％～2％。MXene的质量分数在1％及以下时，细菌纤维素/MXene的压缩强度与压缩模量随着MXene含量的增加而提高，而当MXene的质量分数为2％或更高时，本发明的复合水凝胶虽然仍具有很强的机械性能，但其压缩强度与压缩模量开始出现稍微的降低，因此，高浓度的MXene的掺入容易导致MXene在具有粘度的细菌纤维素溶液中发生团聚，影响其机械性能，因此本发明中的MXene的含量不易过高。
(4)本发明中，在4℃～8℃条件下静置，更有利于使细菌纤维素与MXene纳米材料发生交联，以及使细菌纤维素之间发生交联，而在室温25℃以及高温50℃条件下不利于细菌纤维素之间，以及细菌纤维素与MXene之间-OH的相互作用而发生交联。
(5)本发明中将细菌纤维素溶解到预冷的含有尿素的碱溶液中，溶解过程的温度为-8℃～-20℃，在此低温条件下，尿素碱体系能够很容易地破坏细菌纤维素的链内氢键和链间纤维素的键合网络，因此更有利于纤维素聚合物链被解开，最终有助于纤维素链在水中的快速溶解。
附图说明
图1是本发明的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的制备方法的示例性流程图。
图2是对比例1中制备的再生BC水凝胶和本发明实施例7-11中制备的MXene含量分别为0.1％、0.2％、0.5％、1％、2％的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的光学实物图。
图3是对比例1中制备的再生BC水凝胶以及本发明实施例7、9和11中制备的MXene含量分别为0.1％，0.5％和2％的细菌纤维素/MXene复合水凝胶的FSEM图；其中图3a、图3b、图3c分别是再生BC水凝胶以及MXene含量分别为0.1％，0.5％和2％的BC/MXene复合水凝胶的表面结构图；图3d、图3e、图3f分别是再生BC水凝胶以及MXene含量分别为0.1％，0.5％和2％的BC/MXene复合水凝胶的截面图，图3g、图3h、图3i分别是其相应的截面放大图。
图4是对比例1中制备的再生BC水凝胶和本发明实施例11中制备的MXene含量为2％的细菌纤维素/MXene复合水凝胶的降解性能测试的结果图。
图5a中线条(a)-(f)依次分别为是对比例1中制备的再生BC水凝胶和本发明实施例7-11中制备的MXene含量分别为0.1％、0.2％、0.5％、1％、2％的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的压缩应力-应变曲线；图5b是不同MXene含量的细菌纤维素/MXene复合水凝胶的压缩模量结果图。
图6是对比例1中制备的再生BC水凝胶和本发明实施例7-11中制备的MXene含量分别为0.1％、0.2％、0.5％、1％、2％的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的导电性能测试的结果图。其中如图6a所示，将MXene含量为1％的BC/MXene复合水凝胶与电路相连通可以使得LED灯点亮。图6b所示为，MXene含量从0.1％增加至2％时，本发明所制备的细菌纤维素/MXene复合水凝胶的电导率从2.83×10-5S/cm增加到7.04×10-4S/cm。
图7是对比例1中制备的再生BC水凝胶和本发明实施例7-11中制备的MXene含量分别为0.1％、0.2％、0.5％、1％、2％的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的细胞毒性测试即乳酸脱氢酶(LDH)检测结果图，其中TCP指的是不含水凝胶材料的细胞培养板对照组。
图8是对比例1中制备的再生BC水凝胶和本发明实施例7-11中制备的MXene含量分别为0.1％、0.2％、0.5％、1％、2％的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的细胞增殖活力(CCK-8)检测结果图，其中TCP指的是不含水凝胶材料的细胞培养板对照组。
图9是对比例1中制备的再生BC水凝胶和本发明实施例7-11中制备的MXene含量分别为0.1％、0.2％、0.5％、1％、2％的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的血液相容性(溶血率)检测结果图，其中蒸馏水和生理盐水分别用于阳性与阴性对照组。
图10是不同MXene含量的细菌纤维素/MXene复合水凝胶上细胞的粘附与形态检测结果图；其中图10a是对比例1中制备的再生BC水凝胶上的NIH3T3细胞的细胞骨架荧光图片，图10b、图10c、图10d、图10e和图10f分别是NIH3T3细胞在本发明实施例7-11中制备的MXene含量分别为0.1％、0.2％、0.5％、1％、2％的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶上的NIH3T3细胞的细胞骨架荧光图片。
图11是对比例1中制备的再生BC水凝胶以及本发明实施例10和11中制备的MXene含量分别为1％和2％的细菌纤维素/MXene复合水凝胶在与电刺激耦合的作用下对细胞增殖活力的影响结果图。
图12是实施例12和对比例2、3制备的MXene含量为0.5％的细菌纤维素/MXene/ECH复合溶液分别在4℃，25℃和50℃下静置12h后的凝胶成胶效果图片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
MXene(过渡金属碳化物或碳氮化合物)是一种具有类似石墨烯二维结构的新型二维纳米材料，其由选择性刻蚀原始MAX相得到，该原始MAX相具有通式Mn+1AXn(n＝1,2,3)，其中M为过渡金属，A为IIIA或IVA中的一种元素，X为碳或氮。MAX相具有层状的、P63/mmc对称的六方结构，M层几乎是六边形封闭聚集的，同时X原子填充在八面体的位置，交替排列的Mn+1Xn片层与紧密堆积的A原子层连接形成MAX相结构。其中，M-X原子层间主要是共价键和离子键，M-A原子层间主要以金属键相连，与M-X键相比，M-A键结合力较弱，因而A层原子反应活性比较高，易于剥离开来。即通过适当的方法(化学液相刻蚀法)将A层从结构中去除，从而获得一种新型的二维堆叠层状结构，这样形成的MXene具有三种不同的结构，分别是M2X、M3X2或M4X3。Ti3C2Tx是2011年首次报道合成的MXene，通常采用两种湿法制备MXene：层状前驱物用氢氟酸(HF)刻蚀，或强酸、氟化物盐混合原位生成HF进行刻蚀。如使用40wt％HF刻蚀Ti3AlC2中的弱键可得到多层结构的Ti3C2Tx(T代表末端官能团-OH、-O或-F)。
本发明一个方面提供了一种可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的制备方法，其包括以下步骤：
1)将钛碳铝陶瓷材料(MAX)缓慢加入到氢氟酸(HF)溶液中，在恒温磁力搅拌的作用下，刻蚀制备出具有多层结构与良好导电性的Ti3C2Tx-MXene纳米材料；具体地，可采用水浴或油浴保持恒温条件；钛碳铝陶瓷材料(MAX)购自吉林省一一科技有限公司；
2)将干燥的细菌纤维素粉碎后加入到低温的NaOH/尿素碱体系中溶解，形成透明的细菌纤维素溶液；
3)将步骤1)制备得到的MXene纳米材料加入到步骤2)中溶解的细菌纤维素溶液中并充分混匀，之后加入交联剂环氧氯丙烷(ECH)，形成细菌纤维素/MXene/ECH混合溶液；
4)将步骤3)的细菌纤维素/MXene/ECH混合溶液倒入到不同形状与大小的模具(如24孔板或培养皿)中，并将其放于4～8℃条件下，静置一段时间，即交联形成具有不同形状与大小的细菌纤维素/MXene复合水凝胶。
在本发明上述制备方法的一些实施方案中，步骤1)中，HF溶液的质量分数为30～49％，优选为49％；MAX与HF溶液的质量体积比(w/v)为1g:10～13mL，优选为1g:12mL。
在本发明上述制备方法的一些实施方案中，步骤1)中，MAX与HF溶液反应温度为40～60℃，优选为60℃；磁力搅拌的转速为400～600rpm，优选为500rpm；在HF溶液中反应时间为24～36h，优选为30h。
在本发明上述制备方法的一些实施方案中，步骤2)中，所述的细菌纤维素可由葡糖醋杆菌(Gluconacetobacter xylinum)菌株ATCC 53582分泌得到，为好氧型的革兰氏阴性菌，购自美国模式培养物集存库(American Type Culture Collection,Manassas,VA,USA)，另外，现有技术中的其它细菌纤维素也可以用于本发明。细菌纤维素经纯化后备用；之后可用烘箱直接干燥、真空加热干燥及低温冷冻干燥，优选采用低温冷冻干燥，以使其形成蓬松的结构；细菌纤维素干燥之后用组织破碎机将其粉碎，以便于后续的溶解；所述NaOH/尿素碱体系为WNaOH：W尿素：W蒸馏水＝7:12:81。
在本发明上述制备方法的一些实施方案中，步骤2)中，NaOH/尿素碱溶液需置于4℃冰箱里预冷4h，细菌纤维素在NaOH/尿素碱体系中的低温溶解温度为-8℃～-20℃，优选为-12℃；溶解后制得的细菌纤维素的质量百分数为2～4％，优选为3％。
在本发明上述制备方法的一些实施方案中，步骤3)中，当MXene加入到所述的细菌纤维素溶液中充分混匀后，其中MXene的质量分数为0.1～2％，优选为2％；并且细菌纤维素与ECH的质量体积比(w/v)为4g：3～6mL，优选为4g：4.2mL。
在本发明上述制备方法的一些实施方案中，步骤4)中，细菌纤维素/MXene混合溶液在加入ECH之后立即倒入到不同形状与大小的模具(如24孔板或者培养皿)中，之后于4～8℃条件下静置为12～36h，优选为在4℃条件下静置24h。
在本发明上述制备方法的一些实施方案中，步骤4)中，细菌纤维素/MXene混合溶液在加入ECH之后立即倒入不同形状与大小的模具(如24孔板或者培养皿)中，通过控制细菌纤维素/MXene/ECH混合溶液的质量，形成不同形状与大小的细菌纤维素/MXene复合凝胶；例如可以形成横截面直径为15mm、高度为8～14mm(优选高度为14mm)的细菌纤维素/MXene复合水凝胶柱，或直径为9cm、厚度为3～6mm的复合水凝胶膜。
本发明另一个方面提供了由上述制备方法产生的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶，其表面为较为致密的少孔或无孔的结构，内部为互相连通的三维网络多孔结构，其中孔径为100～500μm。
本发明又一个方面提供了由上述制备方法产生的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶在制备皮肤伤口敷料中的应用。具体地，NIH3T3成纤维细胞能够在细菌纤维素/MXene复合水凝胶表面很好的粘附、生长、铺展与增殖；并且在与电刺激耦合的作用下，其对NIH3T3细胞的粘附、生长、铺展与增殖等行为具有更加积极的促进作用。
实施例1：细菌纤维素(BC)的制备与纯化
细菌纤维素是由葡糖醋杆菌(G.xylinum)菌株ATCC 53582分泌产生的。该菌生长的培养基为液体培养基(Hestrin&Schramm,HS)，其主要成分为：5.0gL-1酵母提取物、20gL-1葡萄糖、1.5gL-1一水柠檬酸、20gL-1葡萄糖和6.8gL-1磷酸氢二钠十二水合物。培养基由Milli-Q超纯水进行配制，培养基在使用前经高温(121℃)高压灭菌20min。将所述葡糖醋杆菌接种到上述无菌的Herstin-Schramm培养基中，接种菌液的体积占总培养基体积的10％。
合成的细菌纤维素用以下方法进行纯化。具体地，将获得的细菌纤维素膜浸入蒸馏水中2天以去除其中多余的培养基残留物，再将其用0.1M NaOH溶液于100℃下处理30min以除去其中的葡糖醋杆菌，然后再将其置于蒸馏水中浸泡3天，每天换一次水，以进一步去除杂质及其中的NaOH溶液并使其PH变为中性。最后，将其经高温(121℃)高压灭菌20min后保存。
实施例2
图1是本发明的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的制备方法的示例性流程图。可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
1)将10g钛碳铝陶瓷材料(MAX)缓慢加入到100mL 30％的氢氟酸溶液中，并在40℃油浴条件下，以400rpm磁力搅拌反应24h，离心清洗并收集沉淀，并通过低温冷冻干燥得到具有多层结构与良好导电性的Ti3C2Tx-MXene纳米材料；
2)将实施例1制备的纯化后的BC通过低温冷冻干燥后，用组织破碎机将其粉碎，即得到BC粉末。取2g所述BC粉末加入到含有98g在4℃冰箱预冷的NaOH/尿素碱溶液的烧杯中(所述NaOH/尿素碱体系为WNaOH：W尿素：W蒸馏水＝7:12:81)；之后将烧杯置于-8℃条件下中进行溶解，即形成透明的质量分数为2％的细菌纤维素溶液；
3)取0.1g步骤1)中制得的MXene材料加入到99.9g步骤2)中得到的细菌纤维素溶液中并充分混匀，获得MXene含量为0.1％的细菌纤维素/MXene混合溶液，之后以细菌纤维素与环氧氯丙烷(ECH)的质量体积比(w/v)为4g：3mL的比例加入ECH，形成MXene含量为0.1％的BC/MXene/ECH混合溶液；
4)将步骤3)得到的BC/MXene/ECH混合溶液倒入到24孔板中，并将其放于4℃条件下，静置12h，即形成所述的MXene含量为0.1％，直径为15mm，高度为9mm的BC/MXene复合水凝胶。
实施例3
图1是本发明的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的制备方法的示例性流程图。可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
1)将10g钛碳铝陶瓷材料(MAX)缓慢加入到含有120mL 40％的氢氟酸溶液中，并在50℃油浴条件下，以500rpm磁力搅拌反应刻蚀24h，离心清洗并收集沉淀，并通过低温冷冻干燥得到出具有多层结构与良好导电性的Ti3C2Tx-MXene纳米材料。
2)将实施例1制备的纯化后的BC通过低温冷冻干燥后，用组织破碎机将其粉碎，即得到BC粉末。取2.5g所述BC粉末加入到含有97.5g在4℃冰箱预冷的NaOH/尿素碱溶液的烧杯中(所述NaOH/尿素碱体系为WNaOH：W尿素：W蒸馏水＝7:12:81)；之后将烧杯置于-12℃条件下进行溶解，即形成透明的质量分数为2.5％的细菌纤维素溶液。
3)取0.2g步骤1)中得到的MXene材料加入到99.8g步骤2)所述的细菌纤维素溶液中并充分混匀，得到MXene含量为0.2％的细菌纤维素/MXene混合溶液，之后以细菌纤维素与环氧氯丙烷(ECH)的质量体积比(w/v)为4g：3.6mL的比例加入ECH，形成MXene含量为0.2％的BC/MXene/ECH混合溶液。
4)将步骤3)得到的BC/MXene/ECH混合溶液倒入到24孔板中，并将其放于6℃条件下，静置24h，即形成所述的MXene含量为0.2％，直径为15mm，高度为10mm的BC/MXene复合水凝胶。
实施例4
图1是本发明的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的制备方法的示例性流程图。可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
1)将10g钛碳铝陶瓷材料(MAX)缓慢加入到含有130mL 49％的氢氟酸溶液中，并在60℃油浴条件下，以600rpm磁力搅拌反应刻蚀36h，离心清洗并收集沉淀，并通过低温冷冻干燥得到出具有多层结构与良好导电性的Ti3C2Tx-MXene纳米材料；
2)将实施例1制备的纯化后的BC通过低温冷冻干燥后，用组织破碎机将其粉碎，即得到BC粉末。取3g所述BC粉末加入到含有97g在4℃冰箱预冷的NaOH/尿素碱溶液的烧杯中(所述NaOH/尿素碱体系为WNaOH：W尿素：W蒸馏水＝7:12:81)；之后将烧杯置于-20℃冰箱中进行溶解，即形成透明的质量分数为3％的细菌纤维素溶液。
3)取0.5g步骤1)中得到的MXene材料加入到99.5g步骤2)所述的细菌纤维素溶液中并充分混匀，得到MXene含量为0.5％的细菌纤维素/MXene混合溶液，之后以细菌纤维素与环氧氯丙烷(ECH)的质量体积比(w/v)为4g：5mL的比例加入ECH，形成MXene含量为0.5％的BC/MXene/ECH混合溶液。
4)将步骤3)得到的BC/MXene/ECH混合溶液倒入到24孔板中，并将其放于8℃条件下，静置24h，即形成所述的MXene含量为0.5％，直径为15mm，高度为12mm的BC/MXene复合水凝胶。
实施例5
图1是本发明的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的制备方法的示例性流程图。可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
1)将10g钛碳铝陶瓷材料(MAX)缓慢加入到含有110mL 40％的氢氟酸溶液中，并在50℃油浴条件下，以500rpm磁力搅拌反应刻蚀26h，离心清洗并收集沉淀，并通过低温冷冻干燥得到出具有多层结构与良好导电性的Ti3C2Tx-MXene纳米材料；
2)将实施例1制备的纯化后的BC通过低温冷冻干燥后，用组织破碎机将其粉碎，即得到BC粉末。取4g所述BC粉末加入到含有96g在4℃冰箱预冷的NaOH/尿素碱溶液的烧杯中(所述NaOH/尿素碱体系为WNaOH：W尿素：W蒸馏水＝7:12:81)；之后将烧杯置于-20℃冰箱中进行溶解，即形成透明的质量分数为4％的细菌纤维素溶液。
3)取1g步骤1)中得到的MXene材料加入到99g步骤2)所述的细菌纤维素溶液中并充分混匀，得到MXene含量为1％的细菌纤维素/MXene混合溶液，之后以细菌纤维素与环氧氯丙烷(ECH)的质量体积比(w/v)为4g：6mL的比例加入ECH，形成MXene含量为1％的BC/MXene/ECH混合溶液。
4)将步骤3)得到的BC/MXene/ECH混合溶液倒入到24孔板中，并将其放于8℃条件下，静置30h，即形成所述的MXene含量为1％，直径为15mm，高度为13mm的BC/MXene复合水凝胶。
实施例6
图1是本发明的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的制备方法的示例性流程图。可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
1)将10g钛碳铝陶瓷材料(MAX)缓慢加入到含有120mL 40％的氢氟酸溶液中，并在50℃油浴条件下，以600rpm磁力搅拌反应刻蚀30h，离心清洗并收集沉淀，并通过低温冷冻干燥得到出具有多层结构与良好导电性的Ti3C2Tx-MXene纳米材料；
2)将实施例1制备的纯化后的BC通过低温冷冻干燥后，用组织破碎机将其粉碎，即得到BC粉末。取4g所述BC粉末加入到含有96g在4℃冰箱预冷的NaOH/尿素碱溶液的烧杯中(所述NaOH/尿素碱体系为WNaOH：W尿素：W蒸馏水＝7:12:81)；之后将烧杯置于-12℃冰箱中进行溶解，即形成透明的质量分数为4％的细菌纤维素溶液。
3)取2g步骤1)中得到的MXene材料加入到98g步骤2)所述的细菌纤维素溶液中并充分混匀，得到MXene含量为2％的细菌纤维素/MXene混合溶液，之后以细菌纤维素与环氧氯丙烷(ECH)的质量体积比(w/v)为4g：6mL的比例加入ECH，形成MXene含量为2％的BC/MXene/ECH混合溶液。
4)将步骤3)得到的BC/MXene/ECH混合溶液倒入到24孔板中，并将其放于8℃条件下，静置30h，即形成所述的MXene含量为2％，直径为15mm，高度为14mm的BC/MXene复合水凝胶。
实施例7
图1是本发明的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的制备方法的示例性流程图。可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
1)将10g钛碳铝陶瓷材料(MAX)缓慢加入到含有120mL 49％的氢氟酸溶液中，并在60℃油浴条件下，以500rpm磁力搅拌反应刻蚀30h，离心清洗并收集沉淀，并通过低温冷冻干燥得到出具有多层结构与良好导电性的Ti3C2Tx-MXene纳米材料；
2)将实施例1制备的纯化后的BC通过低温冷冻干燥后，用组织破碎机将其粉碎，即得到BC粉末。取3g所述BC粉末加入到含有97g在4℃冰箱预冷的NaOH/尿素碱溶液的烧杯中(所述NaOH/尿素碱体系为WNaOH：W尿素：W蒸馏水＝7:12:81)；之后将烧杯置于-12℃条件下进行溶解，即形成透明的质量分数为3％的细菌纤维素溶液。
3)取0.1g步骤1)中得到的MXene材料加入到99.9g步骤2)中获得的细菌纤维素溶液中并充分混匀，得到MXene含量为0.1％的细菌纤维素/MXene混合溶液，之后以细菌纤维素与环氧氯丙烷(ECH)的质量体积比(w/v)为4g：4.2mL的比例加入ECH，形成MXene含量为0.1％的BC/MXene/ECH混合溶液。
4)步骤3)中得到的BC/MXene/ECH混合溶液倒入到24孔板中，并将其放于4℃条件下，静置24h，即形成所述的MXene含量为0.1％，直径为15mm，高度为14mm的BC/MXene复合水凝胶(如图2)。
实施例8
以实施例7为基础，不同点为：将步骤3)中所取的MXene的量改为0.2g，所用的3％的BC溶液的量改为99.8g,其余均与实施例7相同，即得到所述的MXene含量为0.2％，直径为15mm，高度为14mm的BC/MXene复合水凝胶(如图2)。
实施例9
以实施例7为基础，不同点为：将步骤3)中所取的MXene的量改为0.5g，所用的3％的BC溶液的量改为99.5g，其余均与实施例7相同，即得到所述的MXene含量为0.5％，直径为15mm，高度为14mm的BC/MXene复合水凝胶(如图2)。
实施例10
以实施例7为基础，不同点为：将步骤3)中所取的MXene的量改为1g，所用的3％的BC溶液的量改为99g，其余均与实施例7相同，即得到所述的MXene含量为1％，直径为15mm，高度为14mm的BC/MXene复合水凝胶(如图2)。
实施例11
以实施例7为基础，不同点为：将步骤3)中所取的MXene的量改为2g，所用的3％的BC溶液的量改为98g，其余均与实施例7相同，即得到所述的MXene含量为2％，直径为15mm，高度为14mm的BC/MXene复合水凝胶(如图2)。
实施例12
图1是本发明的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的制备方法的示例性流程图。可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
1)将10g钛碳铝陶瓷材料(MAX)缓慢加入到100mL 30％的氢氟酸溶液中，并在40℃油浴条件下，以400rpm磁力搅拌反应24h，离心清洗并收集沉淀，并通过低温冷冻干燥得到具有多层结构与良好导电性的Ti3C2Tx-MXene纳米材料；
2)将实施例1制备的纯化后的BC通过低温冷冻干燥后，用组织破碎机将其粉碎，即得到BC粉末。取2g所述BC粉末加入到含有98g在4℃冰箱预冷的NaOH/尿素碱溶液的烧杯中(所述NaOH/尿素碱体系为WNaOH：W尿素：W蒸馏水＝7:12:81)；之后将烧杯置于-8℃条件下中进行溶解，即形成透明的质量分数为2％的细菌纤维素溶液；
3)取0.5g步骤1)中制得的MXene材料加入到99.5g步骤2)中得到的细菌纤维素溶液中并充分混匀，获得MXene含量为0.5％的细菌纤维素/MXene混合溶液，之后以细菌纤维素与环氧氯丙烷(ECH)的质量体积比(w/v)为4g：3mL的比例加入ECH，形成MXene含量为0.5％的BC/MXene/ECH混合溶液；
4)将步骤3)得到的BC/MXene/ECH混合溶液倒入到25mL的玻璃瓶中，并将其放于4℃条件下，静置12h，即形成所述的MXene含量为0.5％，BC/MXene复合水凝胶(如图12)。
对比例1
可降解的细菌纤维素再生水凝胶(未加入MXene导电材料)的制备方法，包括以下步骤：
1)将实施例1制备的纯化后的BC通过低温冷冻干燥后，用组织破碎机将其粉碎，即得到BC粉末。取3g BC粉末加入到含有97g在4℃冰箱预冷的NaOH/尿素碱溶液的烧杯中(所述NaOH/尿素碱体系为WNaOH：W尿素：W蒸馏水＝7:12:81)；之后将烧杯置于-12℃条件下进行溶解，即得到透明的质量分数为3％的细菌纤维素溶液。
2)在步骤1)得到的细菌纤维素溶液中以细菌纤维素与环氧氯丙烷(ECH)的质量体积比(w/v)为4g：4.2mL的比例加入ECH，形成BC/ECH混合溶液。
3)将步骤2)所述的BC/ECH混合溶液倒入到24孔板中，并将其放于4℃条件下，静置24h，即形成直径为15mm，高度为14mm的再生BC水凝胶(如图2)。
对比例2
以实施例12为基础，不同点为：将步骤4)中的BC/MXene/ECH混合溶液倒入到25mL的玻璃瓶中，并将其放于25℃条件下，静置12h。结果发现MXene含量为0.5％的BC/MXene复合溶液并未能很好地成胶，仍具有一定的流动性。(如图12)
对比例3
以实施例12为基础，不同点为：将步骤4)中的BC/MXene/ECH混合溶液倒入到25mL的玻璃瓶中，并将其放于50℃条件下，静置12h。结果发现MXene含量为0.5％的BC/MXene复合溶液并未能很好地成胶，仍具有一定的流动性。(如图12)
结果与分析：
将对比例1中制备的再生BC水凝胶(未加MXene)与本发明实施例7、9和11中制备的MXene含量分别为0.1％、0.5％和2％的BC/MXene复合水凝胶同时浸入75％的酒精溶液中浸泡30min之后，再在蒸馏水中浸泡3天以去除水凝胶中多余的ECH并使其pH为中性。处理干净后的再生BC水凝胶与BC/MXene复合水凝胶，经冷冻干燥后观察其结构形貌的变化。从图3可以看出，所制备的再生BC水凝胶及BC/MXene复合水凝胶都具有双层的形貌结构，其表面均具为少孔或无孔的较为致密结构(图3a、图3b、图3c)，其内部均为互相连通的三维多孔网络结构(图3d、图3e、图3f)，图3g、图3h、图3i分别是其相应的截面放大图。其孔径为100μm-500μm；且随着MXene百分含量的增加，BC/MXene复合水凝胶表面及孔壁上镶嵌的MXene的量逐渐增加，且其粗糙度也逐渐增加。白色箭头指的是MXene嵌埋在BC凝胶基质中，黑色箭头指的是MXene嵌在凝胶的表面以及孔壁的上。
对比例1中制备的再生BC水凝胶和本发明实施例11中制备的MXene含量为2％的细菌纤维素/MXene复合水凝胶的降解性能测试结果如图4所示。结果表明实施例11中制备的MXene含量为2％的细菌纤维素/MXene复合水凝胶，在纤维素酶作用下反应210min即可以全部降解；而再生BC水凝胶在纤维素酶作用下反应210min仍未完全降解。这说明本发明方法制备的细菌纤维素/MXene复合水凝胶具有良好的生物降解性。
对比例1中制备的再生BC水凝胶和本发明实施例7-11中制备的MXene含量分别为0.1％、0.2％、0.5％、1％、2％的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的机械性能测试结果如图5所示。结果发现，MXene的质量分数在1％及以下时，细菌纤维素/MXene的压缩强度(图5a)与压缩模量(图5b)随着MXene含量的增加而提高，而当MXene的质量分数为2％时，本发明的复合水凝胶的压缩强度与压缩模量虽开始出现稍微的降低，但仍明显高于在生的BC水凝胶，说明本发明制备的细菌纤维素/MXene复合水凝胶具有很好的机械性能，同时也说明，复合水凝胶中的MXene含量不能过高，高浓度的MXene的掺入容易导致MXene在具有粘度的细菌纤维素溶液中发生团聚，因此也会在一定程度上影响其机械性能。
对比例1中制备的再生BC水凝胶和本发明实施例7-11中制备的MXene含量分别为0.1％、0.2％、0.5％、1％、2％的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的导电性能测试结果如图6所示。结果表明，将MXene含量为1％的BC/MXene复合水凝胶与电路相连通可以使得LED灯点亮(图6a)。此外，MXene的掺入使BC/MXene复合水凝胶具有良好的电活性，如在其他制备条件不变的情况下，当MXene含量从0.1％增加至2％时，本发明所制备的细菌纤维素/MXene复合水凝胶的电导率从2.83×10-5S/cm增加到7.04×10-4S/cm(图6b)。
将对比例1中制备的再生BC水凝胶和本发明实施例7-11中制备的MXene含量分别为0.1％、0.2％、0.5％、1％、2％的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶进行生物相容性检测，结果如图7、8、9、10所示。从图7可知，将NIH3T3细胞在TCP、再生BC水凝胶以及不同MXene含量的BC/MXene复合水凝胶上培养1天和3天后，TCP、再生BC水凝胶以及BC/MXene复合水凝胶各组中的乳酸脱氢酶(LDH)的释放量没有显著性差异，说明了本发明制备的不同MXene含量的BC/MXene复合水凝胶均是无毒、生物安全的。由图8可知，随着MXene含量的逐渐增加，BC/MXene复合水凝胶上的细胞的活力逐渐增强，且2％MXene含量的BC/MXene复合水凝胶最有利于促进细胞的生长与增殖。此外，由图9可知，所有不同MXene含量的BC/MXene复合水凝胶的溶血率均小于2％，在国际安全标准范围之内，说明本发明制备的水凝胶具有良好的血液相容性。
对比例1中制备的再生BC水凝胶和本发明实施例7-11中制备的MXene含量分别为0.1％、0.2％、0.5％、1％、2％的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶上培养的NIH3T3细胞的形态的荧光染色结果如图10所示。图10a是再生BC水凝胶上的NIH3T3细胞的细胞骨架荧光图片，图10b、图10c、图10d、图10e和图10f分别是NIH3T3细胞在本发明实施例7-11中制备的MXene含量分别为0.1％、0.2％、0.5％、1％、2％的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶上的NIH3T3细胞的细胞骨架荧光图片。结果表明，NIH3T3细胞在凝胶上培养7天后，随着MXene含量的逐渐增加，BC/MXene复合水凝胶上的细胞的数量逐渐增加，且铺展状态也越来越好；其中MXene含量为2％的BC/MXene复合水凝胶上的细胞数目最多，且细胞生长、铺展最好，呈现出了细胞间的紧密连接。以上结果表明，本发明制备的细菌纤维素/MXene复合水凝胶具有良好的生物相容性，且MXene含量为2％的BC/MXene复合水凝胶最有利于细胞的粘附、生长、铺展和增殖，因此在伤口敷料方面具有潜在的应用价值。
对比例1中制备的再生BC水凝胶以及本发明实施例10和11中制备的MXene含量分别为1％和2％的细菌纤维素/MXene复合水凝胶分别与电刺激进行耦合，对NIH3T3细胞进行3天的培养后，死/活细胞染色结果如图11所示，结果发现，在电压为100mV，MXene含量为2％时，BC/MXene复合水凝胶对细胞的生长、增殖具有显著地促进作用。因此该电活性复合水凝胶(BC/MXene-2％)可以作为伤口敷料并耦合电刺激加快伤口愈合。
另外，本发明实施例12与对比例2、3中制备的MXene含量为0.5％的细菌纤维素/MXene复合溶液的成胶效果图如图12所示，结果发现，加入交联剂后，在4℃条件下静置12h后，BC/MXene/ECH混合溶液能很好地形成BC/MXene复合水凝胶，玻璃瓶倒置未发现复合溶液的流动。而BC/MXene/ECH混合溶液分别在25℃和50℃条件下静置12h后，并未能很好地成胶，并表现出一定的液体流动性，说明低温静置更有利于细菌纤维素/MXene的凝胶化。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将细菌纤维素粉碎后溶解到预冷的含有尿素的碱溶液中，得到透明的细菌纤维素溶液；所述溶解过程的温度为-8 oC~-20 oC；
（2）将MXene纳米材料加入到步骤（1）得到的透明的细菌纤维素溶液中，所述MXene纳米材料为Ti3C2纳米材料，再加入交联剂，所述交联剂为环氧氯丙烷，得到混合溶液，所述混合溶液中MXene纳米材料的质量分数为0.1%~2%；
所述细菌纤维素溶液中细菌纤维素的质量百分数为2~4%，所述细菌纤维素与交联剂的质量体积比为4 g：3~6 mL；
所述的MXene纳米材料的制备方法为：将钛碳铝陶瓷材料加入到氢氟酸溶液中，在磁力搅拌的作用下，所述钛碳铝陶瓷材料被刻蚀得到多层结构的MXene纳米材料；
所述氢氟酸溶液的质量分数为30~49%，钛碳铝陶瓷材料与氢氟酸溶液的质量体积比为1g:10~13 mL；磁力搅拌的转速为400~600 rpm，刻蚀反应温度为40~60 oC，刻蚀反应时间为24~36 h；
（3）将步骤（2）得到的混合溶液倒入模具中，并置于4 oC~8 oC条件下静置，所述静置的时间为12~36 h，使细菌纤维素与多层结构的MXene纳米材料发生交联，以及使细菌纤维素之间发生交联，得到可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶。
2.如权利要求1所述制备方法制备得到的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶。
3.如权利要求2所述的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶，其特征在于，所述复合水凝胶内部为互相连通的三维网络多孔结构，孔径为100~500 μm。
4.如权利要求2或3所述的可降解的电活性细菌纤维素/MXene复合水凝胶在制备皮肤伤口敷料中的应用。
5.如权利要求4所述的应用，其特征在于，所述复合水凝胶与电刺激进行耦合，促进细胞的粘附、生长、铺展和增殖，所述电刺激的电压为50 mV-400 mV。
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