基于细菌纤维素天然微结构的功能复合材料及其关键制备技术研究

发布时间：2018-01-13 06:00

本文关键词：基于细菌纤维素天然微结构的功能复合材料及其关键制备技术研究　出处：《东华大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：细菌纤维素(Bacterial nano-cellulose,简称为BNC)是一种由微生物所分泌纤维素纳米丝构成的独特水凝胶。天然BNC水凝胶的纳米纤维网络微结构类似于细胞外基质(Extracellular matrix,ECM)的胶原蛋白丝骨架,同时其还具备高含水、高生物相容性、富羟基表面、高生物活性等诸多优良特性,这使得其被认为是一种天生的理想生物医用材料,在烧伤敷料、人工血管及骨组织支架等诸多的生物医用领域具有广泛的应用前景。BNC的诸多优秀特性(如促进伤口愈合的生物活性、高含水持水特性等),极其依赖其与生俱来的纳米纤维网络微结构。该微结构形成于其特殊的微生物制造过程,其纤维素纤维在纤维细度、聚合度、高度均一性及立体堆砌结构等特性上,是现有人工技术难以达到的。然而,天然的BNC材料仍受到自身原始材料特性的局限,尚不能满足某些特定应用的功能性要求。特别是:(1)高含水态凝胶强度和耐缝合强度较低;(2)不具备抗菌特性(3)BNC水凝胶在常规干燥(风干、热干燥等)失水后形成的干胶,难以通过再次复吸水实现体积再溶胀。(4)除了天然材料性能上的不足之外,传统BNC静态生产模式,低效、周期长的缺陷极大地限制其工业化放大生产。现有复合功能化手段通常会破坏天然bnc原本的独特微结构与特性,从而极大地影响了bnc复合材料的应用效能。如何利用与保护bnc的自身原本的微结构和特性,获得保留bnc天生结构特性的功能增强材料,是bnc水凝胶基复合材料生产技术研究的关键问题。在本研究中,保存与恢复bnc水凝胶天然微结构特性被作为设计bnc功能增强复合材料的首要考虑因素,并开展了以下四个方面的研究:首先,针对bnc水凝胶基体在高含水态下强度不足及耐缝合特性弱的缺陷,采用内骨架增强方式保持bnc水凝胶基体原有天然功能与结构,并同时实现材料整体结构强度增强。传统纺织医用纱布虽然存在保水、透气、促愈功能性不足,但是结构强度较好,且具有较为可靠的生物安全性,是较为理想的内骨架材料。本研究以医用棉质纱布(cottongauze,简称cg)作为织物骨架模型,制备了织物骨架增强的bnc复合材料并对材料的基本理化特性进行了表征。以动态挂膜方式,研究制备了三种不同凝胶涂层厚度的bnc-cg骨架增强材料,并将其与cg及静态培养10天的bnc膜进行比较。结果发现,该动态方式生产的bnc-cg材料的bnc凝胶涂层均一性高,能够将cg骨架完整对称的包裹。同时保持了bnc原本的纳米纤维网络结构及水凝胶属性。与静态培养的bnc水凝胶相比,其含水率有明显下降,但是仍然超过了98%。在机械性能方面,通过cg骨架增强,bnc基体的拉伸强度及缝合强度均提高了两个数量级;而对于cg材料,即使仅有少量的bnc凝胶涂覆,其绝对断裂强度和吸水能力即能得到极大提高,同时降低断裂伸长率。该结果表明,织物骨架增强bnc材料的技术,能够在保留bnc原本属性的基础上极大增强强度可靠性;另一方面,对于传统纱布材料来说,表面涂覆bnc凝胶也是一种极佳的织物特性改造手段,将极大提升传统纺织纱布的医用特性及生物相容性水平。与单纯的bnc凝胶或者cg材料相比,bnc-cg复合材料在医用敷料材料领域具有更好的应用前景。其二,针对传统细菌纤维素静态生产方式低效的缺陷,同时也为了实现既不破坏bnc基体结构,又能完成bnc内的织物骨架植入,本文提出构建一种新的水平旋转生物反应器,探索了在bnc高效生物制造过程中实现材料复合的动态挂膜式生产工艺。以一种类似于“凝胶涂层”的生物膜生长过程,将bnc凝胶平整涂覆于织物骨架上,形成织物增强的bnc复合材料。详细比较研究了动态挂膜方式与传统静态方式下bnc的培养历程。结果表明:该动态挂膜方式能够将传统静态培养的10天成膜周期缩短至3天。该动态生长方式通过改善静态培养过程的关键控制性因素(即其营养物——糖的传质)提高细菌纤维素的生产效率。但是,实验显示该方式下,培养基内的菌群浓度并未明显提高,且两种方式的糖利用率、残余糖浓和bnc总产量并未明显变化。为进一步优化生产过程,研究比较了传统静态生产方式与水平旋转反应器的传质差异,并基于菲克第二定律,建立生物膜的动态糖扩散模型,对动态挂膜方式的糖传质过程及其对bnc生产的影响机制进行了系统阐释。该模型显示,糖传质过程受到糖本身的扩散系数(糖分子决定)、扩散时间(转鼓转速和装液体积共同决定)、培养基的糖浓度等三个因素决定。单个转鼓周期中,糖向菌膜内扩散的渗透距离由转速(扩散时间)和扩散系数共同决定,而不受培养基中的残余糖浓度的影响。通过荧光染色法对菌膜内的菌群分布情况进行了观察,发现在离生物膜界面约100μm内存在类似于静态培养气液界面有氧区的富菌群区域。研究初步阐明了如何通过水平转鼓反应器的转速调控糖传质过程,继而影响bnc生产效率的影响机制:即糖通量的扩散距离过短,会使得有氧区的菌体无法得到充足的糖补充;而过长的糖通量扩散距离,会使得糖通量扩散进入菌体处于休眠或抑制状态下的无氧区内,因而无法被有效利用。通过不同糖类的转速优化实验和同种糖类的转速差速优化比较实验证实了该影响机制。据我们所知,这是首次对动态挂膜方式下生产bnc中糖传质影响机制的阐释。与传统方式相比,采用水平转鼓式生物反应器的动态挂膜生产方式更易于实现工业化放大生产,具有良好的商业化应用前景。其三,针对bnc材料自身不具备抗菌特性的不足,本研究通过先在培养基中溶解与纤维素亲和性好的抗菌功能高分子,再采用原位复合法,以实现功能高分子在bnc纳米纤维丝的胞外组装过程中掺入纤维素纳米纤维内部,形成两种高分子复合的纳米纤维丝。该复合方式可以实现在保留bnc天然微结构、含水特性及凝胶特性的同时,使其获得抗菌功能性。本研究以具备良好生物相容性及抗菌特性的壳聚糖(chitosan,cs)作为功能性高分子,并使cs分子在bnc纳米纤维“生物组装”的过程中掺杂入bnc纳米纤维内部,继而进一步通过培养,交织成具备bnc天然微结构的cs/bnc复合纳米纤维网络基体。为实现cs在bnc纳米纤维中的高浓度水平掺杂,研究首先采用静态培养方式下的原位培养复合,对影响cs掺杂水平的培养基的溶解酸种类、ph条件和灭菌方式进行了筛选及优化。结果显示,采用混合后同步灭菌的乙酸cs原位培养基,能够较好实现cs/bnc的原位复合目标。cs不仅能成功掺杂入纳米纤维的内部形成cs/bnc复合纳米纤维,而且在苛刻的碱煮纯化后仍能稳定存在,cs含量可达复合材料干重的35%-48%。但是,静态原位培养技术也暴露出掺杂的抗菌功能材料会抑制bnc生产菌自身合成纤维素活性的缺陷。这导致了静态培养条件下,即便在培养基中添加低浓度水平的cs,其菌体的纳米纤维生产量都会极大地下降,且所获得的bnc纳米纤维网络交织密度远远低于未添加cs的对照组,所形成的cs/bnc膜非常薄,强度甚至不能满足基本力学测试的要求,更无法实际应用。为此,进一步采用已构建的水平转鼓式反应器,通过动态挂膜方式进行原位复合培养。结果发现在动态方式下,菌体具有较高的活性和对抗抗菌高分子的能力,能够耐受0.25-0.75w/v%的cs,生产出与未添加cs对照组相当的凝胶厚度的bnc/cs复合凝胶膜。其中cs/bnc复合材料的cs占到材料干重的40-44%。动态生产的cs/bnc复合凝胶保留了bnc原本的纳米纤维网络结构,平均直径仍然低于100μm,且其纤维密度接近正常对照组,但是受到cs的掺杂浓度水平提高的影响,纳米纤维直径的均一度会降低,直径分布范围变宽。通过抗菌测试发现,动态挂膜法生产的cs/bnc复合材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有较好的抗菌能力,且主要表现为静态接触条件下的抑菌性。该动态生产的cs/bnc复合材料不仅保持了bnc原本的类ecm纳米纤维网络结构,而且具备抑菌和织物骨架增强特性,因此在bnc医用复合材料领域具有良好的应用前景。最后,由于bnc水凝胶在常规干燥后无法像多数高分子水凝胶一样,通过复吸水再次溶胀恢复成水凝胶,并且其三维纳米纤维网络微结构在干燥坍塌后也无法自主恢复,论文对bnc微结构的复水恢复能力进行了改进研究。虽然天然bnc水凝胶失水后几乎无法复水,但是相比于其他高分子水凝胶在溶胀或退溶胀时表现为各个方向尺寸上(各向同性或各向异性)的三维变化,bnc水凝胶由于独特的分层式纳米纤维网络结构,在干燥收缩时几乎仅沿着自身厚度方向一维收缩。而无支撑、高溶胀的一维溶胀水凝胶膜一直是水凝胶及工程材料领域多年求之不得的一种概念上的水凝胶元件,其难以实现的原因在于:已知的现有水凝胶材料或者结构,在无约束状态下未能实现大尺度一维体积变化。因此,解决bnc复水及微结构自主恢复的问题,不仅能够改善天然bnc的性能缺陷,同时也提供了一种制备无支撑一维溶胀水凝胶膜的可能。本论文提出在bnc纳米纤维网络中穿插聚电解质(polyelectrolyte,pe)的复合方案:利用pe穿插于bnc纳米纤维网络及沉积于bnc纳米纤维表面,使得干燥后层层堆积及互相聚集的bnc纳米纤维被pe分子相互隔离;通过pe分子在特定ph下电离产生的静电斥力,可使bnc纳米纤维聚集体相互分开,从而启动其纳米纤维网络结构恢复及复水溶胀。为证实该设想,论文分别选择了三种不同类型的PE分子作为研究对象,即阳离子氨基的壳聚糖,具阴离子羧基的羧甲基纤维素,及兼具阴阳离子的羧甲基壳聚糖,分别制备了三种类型各异的PE/BNC复合膜,并对其pH响应的溶胀特性及其一维溶胀性能进行了验证研究。该PE/BNC复合膜是一类具有pH响应、无支撑、大溶胀率的一维溶胀薄膜材料;其可以在30 min内,从不到10-20μm迅速溶胀至数个毫米;同时在其厚度膨胀约100倍的过程中,该膜的平面尺寸维持不变。另外,本研究以苯甲酸作为模型分子,通过垂直双室扩散池测定了小分子对PE/BNC膜的透过性能。结果表明该膜具备在溶胀状态下接近于零阶的控释性能,而在非溶胀状态下能够让小分子快速透过。PE/BNC复合膜是世界上目前仅有的几种能够实现无约束、无支撑、独立存在的一维溶胀的水凝胶膜之一,也是目前唯一一例膜厚度低于100μm但线性溶胀率可超过100倍的无支撑凝胶膜。该材料在先进膜材料、微流控件、药物控释以及生物传感器等诸多领域中均具有重要的潜在应用价值。
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【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB332

【参考文献】