生物醫(yī)用材料

1、納米細(xì)菌纖維素退熱貼的制備及其表征班級(jí)：碩5077學(xué)號(hào)：3115305016姓名：陳富磊注：文章內(nèi)容摘自東華大學(xué)碩士學(xué)位論文新型納米細(xì)菌纖維素生物醫(yī)用材料的開發(fā)與利用，作者：魏斌v1、細(xì)菌纖維素概況v2、v3、細(xì)菌纖維素退熱貼的制備v4、一、細(xì)菌纖維素概況v細(xì)菌纖維素(Bacterial Cellulose，BC)是一類由微生物產(chǎn)生的純纖維素，是一種新型納米生物材料。能夠產(chǎn)生纖維素的細(xì)菌主要有Acetobacter（醋桿菌），Rhizobium（根瘤菌），Agrobacterium（農(nóng)桿菌）等。研究最多、產(chǎn)量最高的細(xì)菌Acetobacter xylinum(木醋桿菌)。v其中木醋桿菌是最早發(fā)現(xiàn)

2、也是研究較為透徹的纖維素產(chǎn)生菌，它可以利用多種底物生長(zhǎng)，是目前已知合成纖維素能力最強(qiáng)的微生物菌種。木醋桿菌是一種革蘭氏陰性好氧菌，單個(gè)菌寬度約0608 nm，長(zhǎng)度為1040 lam，單個(gè)、成對(duì)或鏈狀存在，菌落大多呈圓形、灰白色、隆起、平滑，能形成皮革狀菌膜，在液體培養(yǎng)基中呈淡青色的極薄平滑菌膜。v細(xì)菌纖維素是由-D-葡萄糖通過-1，4-葡萄糖苷鍵結(jié)合成的直鏈，鏈間彼此平行，不呈螺旋構(gòu)象，無分支結(jié)構(gòu)，又稱為-1,4-葡聚糖，見圖1-1(a)。v但相鄰的吡喃葡萄糖的6個(gè)碳原子并不在同一個(gè)平面上，而是呈穩(wěn)定的椅狀立體結(jié)構(gòu)，見圖1-1(b)。v數(shù)個(gè)鄰近的p-1,4-葡聚糖鏈由分子鏈內(nèi)與鏈間的氫鍵穩(wěn)定結(jié)

3、合而形成不溶于水的聚合物，見圖1-1(c) 。v4、細(xì)菌纖維素的特性v(1)纖維超細(xì)。微纖維組成獨(dú)特的束狀纖維，其寬度大約為100 nm左右，厚度3-8nm,屬納米級(jí)纖維，是目前最細(xì)的天然纖維。v(2)合成速率高。每個(gè)木醋桿菌每小時(shí)至少可聚合1.5x10*8個(gè)葡萄糖分子，以平面靜態(tài)淺盤培養(yǎng)，年產(chǎn)量在10 t666.7 m2左右，是一個(gè)季度同面積棉產(chǎn)量的100倍；v(3)高結(jié)晶度和高化學(xué)純度。以100纖維素的形式存在，不含半纖維素、木質(zhì)素和其它細(xì)胞壁成分，提純過程簡(jiǎn)單；v(4)高抗張強(qiáng)度和彈性模量。BC經(jīng)洗滌干燥后，楊氏模量可達(dá)10GPa，經(jīng)熱壓處理后，楊氏模量可達(dá)30 GPa，比有機(jī)合成纖維的

4、強(qiáng)度高4倍；v(5)高持水量。其內(nèi)部有很多孔道”，有良好的透氣、透水性能，能吸收60-700倍于其干重的水份，并具有高濕強(qiáng)度；v(6)極佳的形狀維持能力和抗撕力。BC膜的抗撕能力比聚乙烯膜和聚氯乙膜要強(qiáng)5倍v(7)較高的生物適應(yīng)性和良好的生物可降解性。細(xì)菌纖維素具有較高的生物適應(yīng)性，并且在自然界中可以直接降解，最終降解成單糖等小分子物質(zhì)，不污染環(huán)境，是一種環(huán)境友好產(chǎn)品：細(xì)菌纖維素由于具有獨(dú)特的三維納米纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，高的持水性、結(jié)晶度和機(jī)械強(qiáng)度，良好的生物相容性和無過敏反應(yīng)，作為一種新型納米生物材料，在生物醫(yī)用材料的應(yīng)用中具有巨大的潛力。目前報(bào)道的退熱醒腦貼主要以無紡布為基底，上面涂布一層高分子

5、親水凝膠，再覆蓋一層隔離保護(hù)膜。其中親水性高分子凝膠層中含有天然清涼芳香揮發(fā)性植物精油，這種精油具有清熱醒腦的功效。但是經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種退熱醒腦貼的退熱效果并不明顯，其中的高分子凝膠層所含的自由水很少，并不能通過水分的蒸發(fā)帶走皮膚的熱量達(dá)到物理降溫的目的，而只有由精油所帶來的清涼感覺。鑒于BC具有高持水能力，使用細(xì)菌纖維素作為退熱醒腦貼的基底，能夠通過其中富含的自由水的蒸發(fā)帶走皮膚的熱量。同時(shí)纖維素不會(huì)和皮膚粘連，剝離時(shí)也不會(huì)有殘留。因此用于發(fā)熱輔助治療及應(yīng)急物理降溫的細(xì)菌纖維素基退熱醒腦貼在生物醫(yī)用材料行業(yè)具有非常大的應(yīng)用前景。同時(shí)簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝、降低生產(chǎn)成本對(duì)BC退熱醒腦貼的推廣應(yīng)用也將起到

6、很大推動(dòng)作用。細(xì)菌纖維素(Bacterial Cellulose，BC)是一種由微生物合成的天然纖維素，從分子式看BC與普通植物纖維素沒有什么差別，但因獨(dú)特的物理、化學(xué)結(jié)構(gòu)而賦予其極高的機(jī)械強(qiáng)度和生物相容性。成形的BC由帶狀超細(xì)纖維組成高度結(jié)晶體和高度單導(dǎo)向的纖維，復(fù)雜地纏繞在一起形成獨(dú)特的三維納米纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。BC獨(dú)特三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部有很多“孔道”，有良好的透氣、透水性能，能吸收60700倍于其干重的水份，這些水分是以自由水的形式存在。使用BC作為退熱醒腦貼的基底能夠通過其中富含的自由水的蒸發(fā)帶走皮膚的熱量。同時(shí)纖維素不會(huì)和皮膚粘連，剝離時(shí)也不會(huì)有殘留。目前報(bào)道的退熱醒腦貼主要以無紡布為基底

7、，上面涂布一層高分子親水凝膠，再覆蓋一層隔離保護(hù)膜。其中親水性高分子凝膠層中含有天然清涼芳香揮發(fā)性植物精油，這種精油具有清熱醒腦的功效。但是經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種退熱醒腦貼的退熱效果并不明顯，其中的高分子凝膠層所含的自由水很少，并不能通過水分的蒸發(fā)帶走皮膚的熱量，達(dá)到物理降溫的目的，而只有由精油所帶來的清涼感覺。目前，國(guó)內(nèi)外尚未見到用于發(fā)熱輔助治療及應(yīng)急物理降溫的細(xì)菌纖維素基退熱醒腦貼的研究開發(fā)報(bào)道。因此用于發(fā)熱輔助治療及應(yīng)急物理降溫的細(xì)菌纖維素基退熱醒腦貼在生物醫(yī)用材料行業(yè)具有非常大的應(yīng)用前景。同時(shí)簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝、降低生產(chǎn)成本對(duì)BC退熱醒腦貼的推廣應(yīng)用也將起到很大推動(dòng)作用。v目前報(bào)道的退熱醒腦貼主要

8、以無紡布為基底，上面涂布一層含有天然清涼芳香揮發(fā)性植物精油的高分子親水凝膠，再覆蓋一層隔離保護(hù)膜。目前，國(guó)內(nèi)外尚未見到用于發(fā)熱輔助治療及應(yīng)急物理降溫的細(xì)菌纖維素基退熱醒腦貼的研究開發(fā)報(bào)道。本課題研發(fā)出一種用于發(fā)熱輔助治療及應(yīng)急物理降溫的BC退熱醒腦貼及其制備，該細(xì)菌纖維素基退熱醒腦貼相對(duì)于市售退熱貼，含水率高極高，水分散失率高，退熱效果明顯，生物相容性好，不粘連也不刺激皮膚，安全環(huán)保；且制備方法簡(jiǎn)便，易操作，成本低廉，對(duì)環(huán)境友好，具有良好的應(yīng)用前景。v制備一種用于發(fā)熱輔助治療及應(yīng)急物理降溫的BC退熱醒腦貼，并對(duì)其性能做出評(píng)價(jià)。(2)首次開發(fā)出一種用于發(fā)熱輔助治療及應(yīng)急物理降溫的BC退熱醒腦貼，

9、該細(xì)菌纖維素基退熱醒腦貼含水率高，水分蒸發(fā)能有效帶走人體熱量，生物相容性好，不粘連也不刺激皮膚，安全環(huán)保；且制備方法簡(jiǎn)便，易操作，成本低廉，對(duì)環(huán)境友好，具有良好的應(yīng)用前景。31實(shí)驗(yàn)材料及試劑311菌種來源實(shí)驗(yàn)室自備菌種木醋桿菌(Acetobacter xylinum)312實(shí)驗(yàn)試劑314基本培養(yǎng)基(1)木醋桿菌斜面培養(yǎng)基甘露醇25 gL，胰蛋白胨3 gL，酵母浸膏5 gL，瓊脂20 gL，pH 50。121滅菌20min。(2)木醋桿菌液體種子培養(yǎng)基甘露醇25 gL，胰蛋白胨3 gL，酵母浸膏5 gL，pH 50，(3)木醋桿菌液體發(fā)酵培養(yǎng)基甘露醇25 gL，胰蛋白胨3 gL，酵母浸膏5 gL

10、，pH 50，121滅菌20min。121滅菌20min。32實(shí)驗(yàn)方法321種子復(fù)壯復(fù)壯所用培養(yǎng)基為液體種子培養(yǎng)基，配制方法見基本培養(yǎng)基。取液體種子培養(yǎng)基一瓶及活化過的菌株斜面一支，在無菌操作下，用接種環(huán)挑取兩環(huán)接入100mL液體培養(yǎng)基中。將其搖勻后，放入搖瓶培養(yǎng)箱內(nèi)，在30，轉(zhuǎn)速160 rmin培養(yǎng)12 h。322細(xì)菌纖維素的制備挑取兩環(huán)活化好的斜面菌種，接種于裝有100 mL種子培養(yǎng)基的250 mL三角瓶中，于30和轉(zhuǎn)速160 rmin條件下培養(yǎng)12 h，將培養(yǎng)好的種子培養(yǎng)基以6的接種量，接種到發(fā)酵培養(yǎng)基中，30。C分別靜態(tài)培養(yǎng)4、7、10天，在培養(yǎng)基和空氣的交界面收獲凝膠狀細(xì)菌纖維素。3

11、23細(xì)菌纖維素膜的處理將靜態(tài)培養(yǎng)收獲的細(xì)菌纖維素膜浸泡在1的NaOH溶液中在80。C水浴，除去其中培養(yǎng)基組分及菌體后，用去離子水反復(fù)沖洗至洗液pH中性，此時(shí)膜呈白色透明狀，然后將制得的細(xì)菌纖維素膜切成lcmx3crn、2crux45cm的長(zhǎng)條后放入無菌去離子水中待用。324細(xì)菌纖維素退熱醒腦貼的制備退熱醒腦藥用試劑，其組分包括：150退熱醒腦精油、1540乙醇，其余為水；其中，退熱醒腦精油選自薄荷、龍腦(冰片)、樟腦、桂皮醛、茴香醚、丁香酚、桉葉油、香檸檬油、柴胡揮發(fā)油、丁香油、土荊芥油中的一種或幾種的混合物。本實(shí)驗(yàn)優(yōu)選的退熱醒腦藥液的配方：薄荷1，龍腦2，乙醇15，其余為去離子水。將清熱醒腦

12、藥液煮沸后放入制備好的BC膜片，采用直接熱浸漬的方法制備(即將藥液煮沸后放入膜片浸漬)，20分鐘后，冷卻瀝干即得退熱醒腦貼。325恒溫條件下測(cè)定退熱貼的失重曲線將尺寸為2crux45cm的培養(yǎng)時(shí)間為4、7、10天的BC膜所制備的退熱醒腦貼與市售退熱貼，置于培養(yǎng)皿中，放入恒溫培養(yǎng)箱中，分別在38、39恒溫下(環(huán)境濕度約20)測(cè)定不同退熱貼在06小時(shí)的重量變化情況，水分散失率根據(jù)如下公式計(jì)算：散失率=(w。ww)T，其中w。是退熱貼失水后的重量，W。是退熱貼的原始干重，T是時(shí)間。326恒溫恒濕條件下測(cè)定退熱貼的失重曲線將尺寸為2cmx4。5cm的培養(yǎng)時(shí)間為4、7、10天的BC膜所制備的退熱醒腦貼與

13、市售退熱貼，置于培養(yǎng)皿中，放入恒溫恒濕培養(yǎng)箱中，在39恒溫，環(huán)境相對(duì)濕度控制在60-70下測(cè)定不同退熱貼在O5小時(shí)的重量變化情況，水分散失率根據(jù)如下公式計(jì)算：散失率=(Wsww)T，其中W。是退熱貼失水后的重量，W。是退熱貼的原始干重，T是時(shí)間。327恒溫條件下測(cè)定退熱貼包裹的溫度計(jì)的升溫曲線將尺寸為lcmx3cm的培養(yǎng)時(shí)問為4、7、10天得到的BC膜所制備的退熱醒腦貼與市售退熱貼，包裹在水銀溫度計(jì)的液泡上，然后放置于恒溫箱內(nèi)，分別在38、39恒溫下(環(huán)境濕度約20)測(cè)定不同退熱貼所包裹的溫度計(jì)在05小時(shí)的示數(shù)變化情況。33結(jié)果與討論33恒溫條件下退熱貼的失重曲線圖3-1表明在38下，實(shí)驗(yàn)前2

14、 h各種退熱貼的水分散失率都比較大，其中市售退熱貼的水分散失率為0.31 gh，培養(yǎng)時(shí)間為4、7和10天所制備的BC退熱貼的散失率則分別為041、0.37和061 gh，均高于市售退熱貼。在6 h內(nèi)，市售退熱貼的水分平均散失率則為0.17 gh，而培養(yǎng)時(shí)問為4、7和lO天所制備的BC退熱貼的水分平均散失率則分別為0.18、0.35、0.46 gh，是市售退熱貼的1.06、2.06和2.71倍。在38C時(shí)，BC退熱醒腦貼因水分蒸發(fā)而導(dǎo)致重量損失比市售退熱貼的大，這說明BC退熱醒腦貼有更多的水分蒸發(fā)帶走皮膚的熱量，而起到更好的退熱效果；而BC退熱貼的水分散失率是隨著BC膜的培養(yǎng)時(shí)間的增加而增加的，

15、也就是隨著BC膜的厚度的增加而增加。圖3-2表明在39下，實(shí)驗(yàn)前2 h各種退熱貼的水分散失率都比較大，其中市售退熱貼的水分散失率為0.42 gh，培養(yǎng)時(shí)間為4、7和10天所制備的BC退熱貼的散失率則分別為0.44、0.53、0.57 gh。在6 h內(nèi)，市售退熱貼的水分平均散失率則為0.20 gh，而培養(yǎng)時(shí)間為4、7和10天所制備的BC退熱貼的水分平均散失率則分別為0.20、0.31、0.43 gh，是市售退熱貼的1、1.55和2.15倍。在39時(shí)，BC退熱醒腦貼因水分蒸發(fā)而導(dǎo)致重量損失比市售退熱貼的大，這說明BC退熱醒腦貼有更多的水分蒸發(fā)帶走皮膚的熱量，而起到更好的退熱效果；而BC退熱貼的水分

16、散失率是隨著BC膜的培養(yǎng)時(shí)間的增加而增加的，也就是隨BC膜的厚度的增加而增加。332恒溫恒濕條件下退熱貼的失重曲線圖33表明在溫度為39，環(huán)境相對(duì)濕度6070下，各種退熱貼的水分散失率都比較小，但是BC退熱貼的水分散失率仍然比市售退熱貼的大。其中市售退熱貼的水分散失率為0.05 g /h，培養(yǎng)時(shí)間為4、7和10天所制備的BC退熱貼的散失率則分別為0.12、0.12和0.15 g /h ，是市售退熱貼的2.4、2.4和3倍。在39，環(huán)境相對(duì)濕度較高時(shí)，這幾種退熱貼的水分散失情況都不是很大，但是不同規(guī)格的BC退熱醒腦貼的水分散失率都比市售退熱貼的大，這說明在高環(huán)境濕度的條件下，BC退熱醒腦貼內(nèi)的自

17、由水更容易蒸發(fā)帶走皮膚的熱量，而起到更好的退熱效果；而BC退熱貼的水分散失率是隨著BC膜的培養(yǎng)時(shí)間的增加而增加的，也就是隨著BC膜的厚度的增加而增加。333恒溫條件下退熱貼包裹的溫度計(jì)的升溫曲線圖3-4表明在38C下，市售退熱貼所包裹的溫度計(jì)示數(shù)變化率在實(shí)驗(yàn)前2 h變化較大，其變化率為8.75h，而培養(yǎng)時(shí)問為4、7和10天所制備的BC退熱貼所包裹的溫度計(jì)示數(shù)變化率為4h、4.25h和2.5h，明顯比市售退熱貼升溫慢，在實(shí)驗(yàn)前3 h內(nèi)其變化率分別為633h、6h和6h。在38時(shí)，包裹著BC退熱醒腦貼的溫度計(jì)示數(shù)相比包裹市售退熱貼的上升緩慢，培養(yǎng)時(shí)間越長(zhǎng)、越厚的BC退熱貼所包裹的溫度計(jì)示數(shù)上升的越

18、緩慢。其原因一方面可能是由于BC退熱醒腦貼有更多的水分蒸發(fā)帶走熱量，而起到更好的退熱效果；另一方面也可能是由于BC膜相對(duì)于市售退熱貼凝膠的熱傳導(dǎo)較慢。圖35表明在39下，各種退熱貼所包裹的溫度計(jì)示數(shù)變化率在實(shí)驗(yàn)前3 h變化較大。1 h內(nèi)市售退熱貼所包裹的溫度計(jì)示數(shù)變化率為4.6/h，而培養(yǎng)時(shí)間為4、7、10天所制備的BC退熱貼所包裹的溫度計(jì)示數(shù)變化率則分別為4.7/h、4/h和3/h；2 h內(nèi)市售退熱貼所包裹的溫度計(jì)示數(shù)變化率為7.25 /h ，而培養(yǎng)時(shí)間為4、7、10天所制備的BC退熱貼所包裹的溫度計(jì)示數(shù)變化率則分別為6.5/h、6.5/h和5.5 /h 。均說明本發(fā)明的退熱貼能比市售退熱貼

19、帶走更多量；，3 h內(nèi)，市售退熱貼所包裹的溫度計(jì)示數(shù)平均變化率為5.5/h能再通過水分的蒸發(fā)帶走熱量，從而延緩溫度的上升，此時(shí)退熱貼內(nèi)外環(huán)境溫度幾乎一致，不再存在差異。在39時(shí)，包裹著BC退熱醒腦貼的溫度計(jì)示數(shù)相比包裹市售退熱貼的上升緩慢，這說明BC退熱醒腦貼有更多的水分蒸發(fā)帶走熱量，而起到更好的退熱效果；而包裹著由培養(yǎng)l O天的BC膜所制成退熱醒腦貼的溫度計(jì)示數(shù)上升的最緩慢。但是在39時(shí)，這種差別也不是很大。本課題開發(fā)出一種用于發(fā)熱輔助治療及應(yīng)急物理降溫的BC退熱醒腦貼，該細(xì)菌纖維素基退熱醒腦貼含水率高，其中水以自由水的形式存在，水分蒸發(fā)能有效帶走人體熱量，其中含有清熱醒腦的藥物能緩解由發(fā)熱引起的頭痛、頭暈等不適應(yīng)癥狀，同時(shí)該退熱貼質(zhì)地柔軟輕便，可根據(jù)實(shí)際使用部位的形狀和面積剪裁成各種形狀；該退熱貼生物相容性好，不粘連也不刺激皮膚，安全環(huán)保，丟棄后在環(huán)境中能迅速降解，可作為一種