一种透明的可降解细菌纤维素再生膜及其制备方法和应用

摘要

本发明提供一种透明的可降解细菌纤维素再生膜，所述透明的可降解细菌纤维素再生膜的结晶度不高于40％；所述透明的可降解细菌纤维素再生膜包括细菌纤维素和分散在细菌纤维素中的纤维素酶，所述纤维素酶和细菌纤维素的质量比为1∶10～100。本发明还提供一种透明的可降解细菌纤维素再生膜的制备方法和应用，本发明提供了的可降解细菌纤维素再生膜的制备方法先采用N,N-二甲基乙酰胺/氯化锂混合溶解体系溶解细菌纤维素，再生成膜后复合纤维素酶，制备出了可降解、且透明性良好的可降解细菌纤维素再生膜。

说明书

技术领域

本发明涉及功能材料技术领域，具体涉及一种透明的可降解细菌纤维素再 生膜及其制备方法和应用。

背景技术

作为一种新型的生物材料，细菌纤维素具有高的结晶度、高的化学纯度、 天然精细的三维网络结构、良好的透气透水性能、优异的持水保水能力、优良 的力学性能和生物相容性等优异性能，在生物医用材料(如人工皮肤、人工血 管、人工软骨)领域得到广泛应用。

但是目前细菌纤维素主要作为一种体表敷料或者是体内永久性植入材料， 这一定程度上限制的细菌纤维素的应用范围。这主要是由于人体内缺少相关的 酶，纤维素类的材料在体内不能降解或降解速度无法控制。

CN 103690995A公开了一种可生物吸收的纤维及其制备方法。所述生物可 吸收的纤维利用酶工程，通过二次冷冻干燥进行结合，将纤维素酶嵌入到细菌 纤维素中，利用纤维素酶降解细菌纤维素，实现纤维素的体内降解吸收，且产 物为葡萄糖，能够被完全吸收。

然而，上述的可生物吸收的纤维中的细菌纤维素结晶度高、分子间作用力 较强，因而其透光性和溶解性都较差，用于有光学透明要求的生物医用材料效 果不佳。

因此，有必要提供一种透明的可降解细菌纤维素再生材料及其制备方法和 应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种透明的可降解细菌纤维素再生膜及其 制备方法和应用。本发明提供了的可降解细菌纤维素再生膜的制备方法先采用 N,N-二甲基乙酰胺/氯化锂混合溶解体系溶解细菌纤维素，再生成膜后复合纤维 素酶，制备出了可降解、且透明性良好的可降解细菌纤维素再生膜。

第一方面，本发明提供了一种透明的可降解细菌纤维素再生膜，所述透明 的可降解细菌纤维素再生膜的结晶度不高于40％；所述透明的可降解细菌纤维 素再生膜包括细菌纤维素和分散在细菌纤维素中的纤维素酶，所述纤维素酶和 细菌纤维素的质量比为1:10～100。

优选地，在400～800nm的可见光区，所述透明的可降解细菌纤维素再生膜 透光率不低于70％。

进一步优选地，在430nm的可见光区，所述透明的可降解细菌纤维素再生 膜透光率不低于75％。

进一步优选地，在800nm的可见光区，所述透明的可降解细菌纤维素再生 膜透光率不低于90％。

优选地，所述纤维素酶包括葡聚糖内切酶、葡聚糖外切酶和β-葡萄糖苷酶。

进一步优选地，所述纤维素酶来源于诺维信或Sigma。

人角膜的透光率随波长增加而增大，430nm处透光率达80％，500nm以 上则几乎100％透过。本发明提供的透明的可降解细菌纤维素再生膜的透光率 较高，可基本满足生物医用材料的光学要求。

本发明提供的透明的可降解细菌纤维素再生膜可作于制备可视创伤敷料。 优选地，所述透明的可降解细菌纤维素再生膜的平衡含水率不低于70％。

进一步优选地，所述透明的可降解细菌纤维素再生膜的平衡含水率为 75％～85％。

在本发明一个优选的实施例中，本发明提供的透明的可降解细菌纤维素再 生膜具有三维多孔网状结构。

优选地，所述细菌纤维素的孔隙率为50％～80％。

优选地，所述细菌纤维素具有纳米孔和微米孔。

进一步优选地，所述纳米孔的孔径为10～100nm。

进一步优选地，所述微米孔的孔径为0.5μm～10μm。

优选地，所述纤维素酶吸附在所述细菌纤维素上。

优选地，所述纤维素酶镶嵌在所述可降解细菌纤维素再生膜中的孔隙中。

进一步优选地，所述纤维素酶镶嵌的孔隙为纳米孔和微米孔中的至少一种。

本发明采用的纤维素酶的大小为几个纳米至几十个纳米之间，可以以吸附、 镶嵌或其他形式均匀分散在所述可降解细菌纤维素再生膜中的孔隙中。

相比再生前的细菌纤维素膜，再生后的细菌纤维素空隙变小，结晶度较低。

优选地，所述可降解细菌纤维素再生膜的结晶度为25％～40％。

优选地，所述纤维素酶和细菌纤维素的质量比为1:10～20。

优选地，所述纤维素酶和细菌纤维素的质量比为1:20～50。

优选地，所述纤维素酶和细菌纤维素的质量比为1:50～100。

本发明提供的透明的可降解细菌纤维素再生膜具有纤维素酶，由于具有纤 维素酶，在体内可按一定速率降解；此外，本发明提供的透明的可降解细菌纤 维素再生膜的结晶度较低，因而透光性能好；其次，本发明提供的透明的可降 解细菌纤维素再生膜的结构具有合适的空隙率，对营养物质的透过率较高。

第二方面，本发明提供了一种透明的可降解细菌纤维素再生膜的制备方法， 包括如下步骤：

1)将纯化的细菌纤维素溶解在质量分数为5～10％的LiCl/DMAc溶液中， 得到细菌纤维素溶液，所述细菌纤维素的质量浓度为0.1～2.5％；

2)采用溶液浇铸法或者凝固浴再生法将步骤(1)所得的细菌纤维素溶液 制备成细菌纤维素凝胶膜；

3)将步骤(2)所得制得的细菌纤维素凝胶膜置于透析袋中，去离子水透 析，干燥后，得到细菌纤维素再生膜；

4)配置纤维素酶溶液，将所得纤维素酶溶液与步骤(3)所得的细菌纤维 素再生膜混合15min～60min后进行冷冻干燥，得到透明的可降解细菌纤维素再 生膜，其中，所加入的纤维素酶溶液中纤维素酶和细菌纤维素再生膜的质量比 为1:10～100；

其中，所述透明的可降解细菌纤维素再生膜的结晶度不高于40％；所述透 明的可降解细菌纤维素再生膜包括细菌纤维素和分散在细菌纤维素中的纤维素 酶，所述纤维素酶和细菌纤维素的质量比为1:10～100。

本发明提供的透明的可降解细菌纤维素再生膜的制备方法采用LiCl/DMAc (氯化锂/N,N-二甲基乙酰胺)溶解体系对细菌纤维素进行溶解、再生，制的了 结晶度较低、透光性能好的再生膜；再生膜与一定质量比的纤维素酶复合后值 得了透明的、可降解的细菌纤维素再生膜。

细菌纤维素做为天然纤维素材料，其晶胞结构为纤维素I型，结晶度高达 83.6％；而BC经过本发明步骤1～3的溶解再生过程后，晶型变为纤维素II型， 结晶度下降。这是因为，在细菌纤维素溶解再生的过程中，由于溶剂破坏了纤 维素分子间和分子内的氢键作用，从而破坏了纤维素分子的有序排列，因而使 得其结晶度显著下降。即，在这一过程中，纤维素分子间和分子内的氢键发生 断裂以及重新形成，并引入结构上的无序与混乱，导致结晶度的大幅度下降， 从而降低了光在材料中的折射和反射，同时，再生后的细菌纤维素的晶粒尺寸 相对于之前也会明显减小，因此再生膜的透光率会显著提高。

本发明提供的透明的可降解细菌纤维素再生膜的制备方法制备的再生膜与 再生前的细菌纤维素相比，具有更高的致密性，纳米孔增多，透明性显著提高。

优选地，所述步骤(1)中，所述纯化的细菌纤维素的制备方法包括：

a)将细菌纤维素生产菌株按培养基体积比1:100的比例接种到细菌培养液 中，然后在28℃～32℃条件下静态培养3～7天，收获细菌纤维素膜；

b)将(a)获得的细菌纤维素膜用质量浓度为1％～3％的十二烷基硫酸钠 (SDS)浸泡，60℃条件下，搅拌12～24小时，再用去离子水冲洗后，加入NaOH 溶液至终浓度为0.1～1.0M，60℃条件下处理1～3小时，然后用0.1M的乙酸溶 液中和处理，再用蒸馏水多次浸泡至中性后，得到纯化的细菌纤维素。

本发明采用NaOH溶液处理细菌纤维素可以除去细菌纤维素里面的残留的 杂致热源。

本发明采用SDS处理细菌纤维素可以除去细菌纤维素里面的残留的蛋白。

优选地，所述步骤(1)中，所述纯化的细菌纤维素产自木醋杆菌(保藏号 为ATCC700178、保藏号为ATCC53528、保藏号为ATCC53524或保藏号为 ATCC23769)，但不限于采用木醋杆菌。

优选地，所述步骤(1)中，所述的制备细菌纤维素溶液的方法包括：将纯 化的细菌纤维素加入到5～10％LiCl/DMAc溶液中，60～120℃油浴加热并搅拌， 4～5h后室温冷却，静置至细菌纤维素完全溶解后，得质量浓度为0.1～2.5％细 菌纤维素溶液。

优选地，所述步骤(2)中，所述的溶液浇铸法将步骤(1)所得的细菌纤 维素溶液制备成细菌纤维素凝胶膜的方法包括：将所述细菌纤维素溶液浇铸于 模具中静置12～24小时，制得所述细菌纤维素凝胶膜。

优选地，所述溶液浇铸法制得的细菌纤维素凝胶膜的厚度为10μm-5mm。

优选地，所述步骤(2)中，所述的凝固浴再生法将步骤(1)所得的细菌 纤维素溶液制备成细菌纤维素凝胶膜的方法包括：将所述细菌纤维素溶液涂覆 在PTEF平板(但不限于此种材质的平板)上，并用定制的模具刮制成一定厚度 (优选为10μm-1000μm)的膜；然后凝固、再生(优选为浸入水、乙醇等凝 固浴溶液中凝固、再生)，制得所述细菌纤维素凝胶膜。

优选地，所述步骤(3)中，所述的去离子水透析至透析液中接近无溶剂成 分。

优选地，所述步骤(4)中，所加入的纤维素酶溶液中纤维素酶和细菌纤维 素再生膜的质量比为1:10～20。

优选地，所述步骤(4)中，所加入的纤维素酶溶液中纤维素酶和细菌纤维 素再生膜的质量比为1:20～50。

优选地，所述步骤(4)中，所加入的纤维素酶溶液中纤维素酶和细菌纤维 素再生膜的质量比为1:50～100。

优选地，所述步骤(4)中，所述冷冻干燥的条件为：-20～-80℃下，冷冻 6～24小时。

优选地，所述步骤(4)中，在400～800nm的可见光区，所述透明的可降 解细菌纤维素再生膜透光率不低于70％。

进一步优选地，在430nm的可见光区，所述透明的可降解细菌纤维素再生 膜透光率不低于75％。

进一步优选地，在800nm的可见光区，所述透明的可降解细菌纤维素再生 膜透光率不低于90％。

优选地，所述步骤(4)中，所述纤维素酶包括葡聚糖内切酶、葡聚糖外切 酶和β-葡萄糖苷酶。

进一步优选地，所述纤维素酶来源于诺维信或Sigma。

进一步优选地，所述透明的可降解细菌纤维素再生膜的平衡含水率为 75％～85％。

在本发明一个优选的实施例中，本发明提供的透明的可降解细菌纤维素再 生膜具有三维多孔网状结构。

优选地，所述步骤(4)中，所述细菌纤维素的孔隙率为50％～80％。

优选地，所述步骤(4)中，所述细菌纤维素具有纳米孔和微米孔。

进一步优选地，所述纳米孔的孔径为10～100nm。

进一步优选地，所述微米孔的孔径为0.5μm～10μm。

优选地，所述步骤(4)中，所述纤维素酶吸附在所述细菌纤维素上。

优选地，所述步骤(4)中，所述纤维素酶镶嵌在所述可降解细菌纤维素再 生膜中的孔隙中。

进一步优选地，所述纤维素酶镶嵌的孔隙为纳米孔和微米孔中的至少一种。

优选地，所述步骤(4)中，所述透明的可降解细菌纤维素再生膜的结晶度 为25％～40％。

直接以细菌纤维素水凝胶为基体材料，将其浸泡在一定浓度的纤维素酶的 溶液中进行简单地复合改性，然而，细菌纤维素结晶度高、分子间作用力较强， 因而其透光性和溶解性都很差，不能用作有光学透明要求的生物医用材料。

而本发明提供的透明的可降解细菌纤维素再生膜，经过溶解再生，不仅可 降解的、离子和物质透过性好、力学性能优良、而且透明性良好、溶解性提供， 可用作对降解速度和透明度有一定要求的生物医用材料；采用本发明提供的透 明的可降解细菌纤维素再生膜的制备方法，细菌纤维素和纤维素酶的复合效率 高，且简单、成本低，易于生产。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的透明的可降解细菌纤维素再生膜；

图2为本发明实施例1和对比实施例制备的透明的可降解细菌纤维素再生膜 降解实验结果。

具体实施例

以下所述是本发明的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些 改进和润饰也视为本发明的保护范围。

实施例1

一种透明的可降解细菌纤维素再生膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)细菌纤维素的制备

制备培养液：0.1～0.4g/ml葡萄糖、0.03～0.06g/ml蛋白胨、0.02～0.03g/ml酵 母粉、0.01～0.02g/ml磷酸氢二钠、0.005～0.015g/ml硫酸镁、0.005～0.01g/ml硫 酸铵、0.005～0.015ml/ml玉米糖浆提取液，将细菌纤维素生产菌株(木醋杆菌， 保藏号为ATCC700178)按培养基体积比1:100的比例接种到所述培养液中，然后 在28℃～32℃洁净条件下静态培养3～7天获得细菌纤维素膜。

(2)细菌纤维素的纯化

将步骤(1)中获得的细菌纤维素膜用大量清水多次冲洗除去表面的培养基 及细菌残体；再用质量浓度为1％～3％的十二烷基硫酸钠(SDS)，60℃条件下搅 拌浸泡12～24h，以除去细菌纤维素里面的残留的杂蛋白；用大量去离子水冲洗 净后，用0.1～1.0M NaOH溶液，60℃条件下处理1～3h，除去细菌纤维素中致热源；

再用0.1M的乙酸溶液中和处理并用多次蒸馏水浸泡至中性后，用切粒机将 纯化好的细菌纤维素切成合适的碎粒后冷冻干燥，并将干燥好的细菌纤维素用 搅拌机搅碎干燥保存。

(3)细菌纤维素的溶解、成膜

(3-1)细菌纤维素溶液的制备：将(2)中制备好的细菌纤维素溶解于N,N- 二甲基乙酰胺(DMAc)/氯化锂(LiCl)的混合溶剂体系中制备一系列不同浓度 (0.1～2.5％)的细菌纤维素溶液(见表1-1)，其中，所述N,N-二甲基乙酰胺 (DMAc)/氯化锂(LiCl)的混合溶剂体系中，LiCl的质量分数为8％。

表1-1 体系配置

(3-2)采用溶液浇铸法制备细菌纤维素再生膜：

将制备好的细菌纤维素溶液浇铸于定制的模具中，通过控制加入不同浓度 的细菌纤维素溶液的量和模具的形状制备成不同厚度(10μm-5mm)不同形状 的透明的细菌纤维素凝胶膜，具体配置如表1-2所示；

表1-2 体系配置

编号 模具(厚度) 细菌纤维素浓度 5 10μm 0.1％ 6 100μm 0.5％ 7 1mm 1.5％ 8 5mm 2.5％

(3-3)再生膜的后处理：将上述制得的细菌纤维素透明凝胶膜置于透析袋 中，用去离子水透析至透析液中接近无溶剂成分(通过硝酸银和气相色谱-质谱 (GC/MS)检测透析液中氯化锂和N,N-二甲基乙酰胺的量，并控制在1mg/L的浓度 以下)，随后了干燥得到细菌纤维素再生膜。

(4)细菌纤维素再生膜的酶工程化

配置一定浓度的纤维素酶溶液，将纤维素酶溶液与上述所得的细菌纤维素 再生膜混合后进行冷冻干燥，其中，纤维素酶与细菌纤维素再生膜的质量比、 冷冻干燥的条件分别如表1-3所示，得到透明的可降解细菌纤维素再生膜，分别 编号为1～4，钴60灭菌低温干燥保存。

表1-3 体系配置

实施例2

为充分说明本发明的有益效果，本发明实施例还提供了实施例2，所述实施 例2与实施例1的区别实施例2的步骤(3-2)采用凝固浴再生法制备细菌纤维素再 生膜，其他和实施例1相同，实施例2的步骤包括：

(1)细菌纤维素的制备

参见实施例1。

(2)细菌纤维素的纯化

参见实施例1。

(3)细菌纤维素的溶解、成膜

(3-1)细菌纤维素溶液的制备：

参见实施例1。

(3-2)采用凝固浴再生法制备细菌纤维素再生膜：将制备好的细菌纤维素 溶液涂覆有定制的PTEF平板上并用定制的模具刮制成一定厚度(10μm-1000μ m)的膜，再将平板浸入水、乙醇等凝固浴溶液中再生成凝胶膜。

(3-3)再生膜的后处理：

参见实施例1。

(4)细菌纤维素再生膜的酶工程化

参见实施例1。

为了充分说明本发明的有益效果，本发明还提供了实施例1制备的编号为7 的透明的可降解细菌纤维素再生膜湿态下的照片，如图1所示，由图1可知，本 发明实施例制备的透明的可降解细菌纤维素再生膜在可见光下，肉眼观察为透 明薄膜。

本发明还提供了实施例1制备的透明的可降解细菌纤维素再生膜(表格1-2 中编号为7，简称BC膜)的性能测试与表征数据：

1)BC膜平衡含水率的测定分别取不同浓度的RBC膜，在PBS中浸泡至 吸水平衡后取出，用滤纸吸干表面的水分并准确称重记为M1；再将其在真空干 燥箱中烘干至恒重，此时质量记为M2，则BC膜的平衡含水率W按如下公式计 算:

W＝(M1－M2)/M1×100％

2)BC膜的结晶度分析用X’Pert PRO型X射线仪(荷兰PANalytical公 司)测定细菌纤维素膜和RBC膜的结晶度的变化，测试条件为Cu靶，超能探 测器，管压为40kV，管流为40mA，步长0.017°，λ为0.15418nm，扫描范 围

5°≤2θ≤50°。结晶度的计算公式如下:

Xc＝Xc/(Xc+Xa)

其中，Xc为结晶峰的总面积，Xa为非晶区域总面积。

3)BC膜的透光率测试

将1～4号BC膜分别浸入PBS溶液中24h后，用TU1901型双光束紫外-可见光分 光光度计(北京普析公司)测定干/湿态BC膜的透光率。

经过分析，实施例1表格1-2中7号BC膜具有如下特征：

1)结晶度约为35％；

2)纤维素酶与细菌纤维素再生膜的重量比为1:50；

3)在400～800nm的可见光区，所述透明的可降解细菌纤维素再生膜透光 率不低于70％；

4)平衡含水率不低于70％。

对比实施例

本发明对比实施例参见CN201310671548的实施例2提供了一种体内生物可 降解吸收的纤维的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：制备细菌纤维素薄膜；

(1)细菌纤维素的制备

制备培养液：0.1～0.4g/ml葡萄糖、0.03～0.06g/ml蛋白胨、0.02～0.03g/ml酵 母粉、0.01～0.02g/ml磷酸氢二钠、0.005～0.015g/ml硫酸镁、0.005～0.01g/ml硫 酸铵、0.005～0.015ml/ml玉米糖浆提取液，将细菌纤维素生产菌株(木醋杆菌， 保藏号为ATCC700178)按培养基体积比1:100的比例接种到所述培养液中，然后 在28℃～32℃洁净条件下静态培养3～7天获得细菌纤维素膜。

(2)细菌纤维素的纯化

将步骤(1)中获得的细菌纤维素膜用大量清水多次冲洗除去表面的培养基 及细菌残体；再用质量浓度为1％～3％的十二烷基硫酸钠(SDS)，60℃条件下搅 拌浸泡12～24h，以除去细菌纤维素里面的残留的杂蛋白；用大量去离子水冲洗 净后，用0.1～1.0M NaOH溶液，60℃条件下处理1～3h，除去细菌纤维素中致热源；

再用0.1M的乙酸溶液中和处理并用多次蒸馏水浸泡至中性。

步骤2：将步骤1所得细菌纤维素薄膜进行冷冻干燥；

步骤3：配制浓度为6～12mol/mL的纤维素酶溶液，将纤维素酶溶液0.3ml 与步骤2所得细菌纤维素1.44g混合后进行冷冻干燥，其中，纤维素酶为Sigma  C8546。

本实施例制备的生物可降解的纤维中纤维素酶与细菌纤维素的重量比为1:8 ～1:4。本发明所用纤维素酶Sigma C8546来源于Trichoderma reesei。

生物可降解的纤维降解实验

用生理盐水分别将实施例1、对比实施例所得生物可降解的纤维浸湿；

然后，将实施例1、对比实施例所得生物可降解的纤维置于pH7.0的PBS 溶液中，观察其降解情况，如表2所示。

表2

天然的细菌纤维素具有高的结晶度和强的分子间作用力，因而其透光性和 溶解性都很差，不能用作有光学透明要求的生物医用材料。

由表2可知，与未经溶解再生的对比实施例相比，再生细菌纤维素膜的透 光率有显著的提升；因此，本发明实施例1提供的BC透光率更好。在溶解过程 中大分子溶剂破坏了细菌纤维素分子间和分子内的氢键作用，分子排列松散， 纤维素构成基本为II型，结晶度大大降低，因而降低了光在材料中的折射和反 射，同时，再生后的细菌纤维素的晶粒尺寸相对于之前也会明显减小，因此再 生膜的透光率显著提高。

实施例1的降解实验结果如图2所示，0d为实施例1制备的编号为7的BC 膜置于pH7.0的环境下0小时的状态，3d为该BC膜置于pH7.0的环境下3天 后的状态。由图2可知，通过纤维素酶工程化后的再生膜，在湿润的情况下一 定时间(3天)能够降解，并且最终降解产物为葡萄糖，可生物体吸收而不产生 局部毒性。与未经溶解再生的对比实施例需要7天相比，虽然对比实施例中纤 维素酶的含量更高，但是，其降解速度更低。这主要是因为：

实施例1的BC膜经过再生过程，大分子溶剂在溶解过程中破坏了纤维素分 子之间的氢键作用，破坏了纤维素分子的有序排列，提高了纤维素的溶解性， 更有利于纤维素酶的分散与镶嵌，有利于提高酶解速度。

本发明采用的BC纤维中，纤维素酶与细菌纤维素的质量比为1:10～100，在 此范围内，可根据合适的降解时间调控具体的比例。

本发明提供的BC膜满足生物医用材料的透明要求和降解要求。

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。