一种蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜及其制备方法

摘要

本发明提供一种蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜及其制备方法，所述蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜包括丝素蛋白，纳米银，聚乙烯醇和氧化细菌纤维素，所述蚕丝蛋白氧化细菌纤维素含有三维网状结构，所述三维网状结构为细菌纤维素形成的网状结构，所述纳米银附着于氧化细菌纤维素形成的三维网状结构上，所述复合膜经流延成膜。本发明制备的膜可应用于存储包装材料以及生物医用材料领域，其制备方法简单、条件温和、方便操作、易于控制、不添加交联剂，适合量化生产。

说明书

技术领域

本发明涉及纺织材料技术领域，具体涉及一种蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜及其制备方法。

背景技术

在环境问题受到的关注日益增多的今天，为减少甚至替代传统石油基复合材料，利用可再生资源开发多功能仿生纳米复合材料，逐渐成为研究热点。作为从蚕茧中提取的再生天然蛋白质，丝素蛋白具有良好的物理、化学、生物学和光学特性，已经被加工成薄膜、纳米纤维、凝胶、3D材料、粒子和微针等不同形态，广泛应用于生物、医药、电子、光学和过滤等领域，然而纯丝素蛋白膜在干燥时硬而脆，易断裂，限制了其广泛应用。

将天然增强纳米填料和抗菌纳米颗粒添加到生物聚合物中，可以开发具有改善机械性能，并具有抗菌活性的生物纳米复合材料。纤维素纳米纤维(Cellulose Nanofibers，CNFs)具有来源广泛、成本低廉、可生物降解、可均匀分散于生物聚合物基质中等优点，并具有良好的阻隔性、透明性和较高的机械和热学特性，是最有前途的纳米增强材料之一。作为木糖葡糖杆菌生产的生物聚合物，细菌纤维素(Bacterial Cellulose，BC)是获得纤维素纳米纤维的重要来源。与从木材中提取的纤维素纳米纤维相比，细菌纤维素纳米纤维具有更高的结晶度、纯度、机械强度、聚合度和生物适应性。细菌纤维素经2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(TEMPO) 氧化后，可在纤维素的纤维表面引入大量羧基，纤维间的静电斥力使细菌纤维素的直径、长度分布更加均匀，目前氧化细菌纤维素已被用作聚合物复合材料中的有效增强填料。

纳米银(Silver Nanoparticles，AgNPs)因其具有广谱抗菌性和高抗菌效率，已被广泛应用于生物医学和活性包装材料中。目前，合成纳米银的方法包括化学法、物理法和生物法等，其中，使用天然聚合物作为还原剂和稳定剂合成纳米银具有操作简单、生态友好、成本低廉且无毒等优点，正成为纳米银生产技术新的突破口。丝素蛋白中含有18种氨基酸，其中酪氨酸等具有较强的极性，使丝素蛋白具有给电子能力，因此丝素蛋白可以作为合成纳米银的还原剂和稳定剂。

此目前有研究报道将蚕丝蛋白与细菌纤维素作为原料，将两者的功能性相结合制备性能优异的复合膜，报道中探讨的是交联剂的加入与否对纳米细菌纤维素/蚕丝蛋白复合物的理化性能的影响，结果表明加入交联剂组的膜表面比较平整，结构有明显改变，力学强度测试表明未加交联剂氧化细菌纤维素/蚕丝蛋白和加交联剂氧化细菌纤维素/蚕丝蛋白的断裂伸长率比较，后者力学性能优，两者具有显著性差异。通过添加交联剂所制得的复合膜的性能更好，并且在医用材料方面尤其在细胞化的血管支架方面的应用有一定的前景。因此，目前通过细菌纤维素和蚕丝蛋白制备的材料，均含有化学交联剂，化学交联剂存在必定会影响细菌纤维素和蚕丝蛋白复合材料的生物相容性能，对生物材料的安全性能造成隐患，影响材料的绿色环保安全性能。因此制备一种绿色环保安全性高，强度高的蚕丝蛋白氧化细菌纤维素膜显得尤为重要。

发明内容

要解决的技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜，以再生丝素蛋白水溶液作为还原剂和稳定剂，并辅助紫外光照射合成了纳米银，以氧化细菌纤维素纳米纤维作为增强纳米材料，以聚乙烯醇作为塑化剂，通过溶液浇铸法制备了蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜。

技术方案：一种蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜，所述蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜包括丝素蛋白，纳米银，聚乙烯醇和氧化细菌纤维素，所述蚕丝蛋白氧化细菌纤维素含有三维网状结构，所述三维网状结构为细菌纤维素形成的网状结构，所述纳米银附着于氧化细菌纤维素形成的三维网状结构上，所述复合膜经流延成膜。

一种蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜的制备方法，包括以下步骤：

S1.丝素蛋白/纳米银胶体溶液的制备：在一定浓度的再生丝素蛋白水溶液中加入硝酸银，混合搅拌均匀得到丝素蛋白/硝酸银混合溶液，然后将混合溶液紫外照射并配合搅拌，形成丝素蛋白/纳米银胶体溶液；

S2.氧化细菌纤维素的制备：将细菌纤维素进行预处理，得到细菌纤维素匀浆，然后在细菌纤维素匀浆中加入TEMPO/NaBr/NaClO的混合氧化体系，混合均匀后离心去除上清液，得到湿态TEMPO氧化细菌纤维素；

S3.蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜的制备：将丝素蛋白/纳米银胶体溶液和聚乙烯醇溶液混合后，加入助溶剂，混合搅拌均匀后，在其中加入湿态TEMPO氧化细菌纤维素溶液，在冰浴环境下，超声处理得到混合溶液，最后采用溶液浇筑法，将混合溶液流延浇铸在平底器皿中，干燥形成纳米复合膜。

优选的，所述步骤S1中再生丝素水溶液为脱胶后丝素经氯化钙三元体系溶液溶解，并透析而成的再生丝素水溶液；所述再生丝素水溶液的浓度为2wt％，所述硝酸银和再生丝素蛋白水溶液的料液比为4mg：1mL。

优选的，所述步骤S1中混合溶液紫外光光照的辐照强度为200-300w﹒hr/m

优选的，所述步骤S2中细菌纤维素匀浆的浓度为0.1-0.15wt％。

优选的，所述步骤S2中细菌纤维素，TEMPO，溴化钠和次氯酸钠的质量比为 0.2-0.3:0.1-0.2:0.65-0.85:38.15-43.75。

优选的，所述步骤S3中助溶剂为甘油，甘油的质量为丝素蛋白和聚乙烯醇干重总和的5-8wt％。

优选的，所述步骤S3中氧化细菌纤维素的质量为丝素蛋白和聚乙烯醇干重总和的1-7wt％

有益效果：本发明的蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜及其制备方法具有以下优点：

1、本发明通过TEMPO/NaClO/NaBr体系氧化细菌纤维素制备了氧化细菌纤维素，将其作为增强纳米材料，通过溶液浇铸法制备了蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜，氧化细菌纤维素保留了细菌纤维素的网状结构，具有较高的长径比，适宜作为天然增强纳米材料，且通过聚乙烯醇的加入，替代现有技术中的交联剂，在不加入交联剂的基础上，氧化细菌纤维素/丝素蛋白/聚乙烯醇/纳米银复合膜的断裂强度以及拉伸模量较复合前显著提高，复合膜机械性能的改善一方面来自于氧化细菌纤维素的增强作用，另一方面由于氧化细菌纤维素加入，刚性纳米银分布更加均匀。氧化细菌纤维素均匀分布在丝素蛋白、聚乙烯醇基质中，并借助其网状结构固定纳米银，提高了纳米银在复合膜中的分散性，因此可以实现更好的载荷传递和原纤间的滑动，从而极大地提高了机械性能；

2、本发明制备的蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜最高热分解温度可达到310.5℃，复合膜仍具有较高的热稳定性，同时，随着氧化细菌纤维素含量的增加，氧化细菌纤维素大分子上游离亲水性羧酸根基团随之增加，相比丝素蛋白/聚乙烯醇复合膜而言蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜的亲水性能提升，水蒸气阻隔性虽然会随着氧化细菌纤维素含量的增加而略有下降，但是仍然能够保持较高的水蒸气阻隔性，完全能够满足包装和伤口敷料等材料的使用要求；

3、本发明制备的蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜可以阻挡99.99％的紫外光，丝素蛋白中的芳香族氨基酸可以吸收300nm以下的紫外线，并且分散在聚合物基质中的纳米银阻止了紫外光的传输，并随着氧化细菌纤维素含量的增加而提高，氧化细菌纤维素的加入进一步增加了纳米银的分散性，使得复合膜具有较好的紫外线屏蔽效果；

4、本发明制备的蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜中纳米银会抑制大肠杆菌和玉米内州萎蔫病菌的生长，且氧化细菌纤维素的复合，未影响到复合膜的抗菌活性，丝素蛋白/聚乙烯醇/纳米银/氧化细菌纤维素复合膜具有较好的抗菌性；

5、本发明所述制备方法简单、条件温和、方便操作、易于控制、不添加交联剂，适合量化生产，非常适用于存储包装材料以及生物医用材料领域。

附图说明：

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜的制备流程图；

图2为细菌纤维素及TEMPO氧化细菌纤维素的透射电镜照片，图中：(a)细菌纤维素，(b) TEMPO氧化细菌纤维素；

图3为几种不同复合膜的扫描电镜照片，图中：(a)丝素蛋白/聚乙烯醇，(b)丝素蛋白/ 聚乙烯醇/纳米银，(c)丝素蛋白/聚乙烯醇/纳米银/3％氧化细菌纤维素，(d)丝素蛋白/聚乙烯醇/纳米银/7％氧化细菌纤维素；丝素蛋白/聚乙烯醇/纳米银/7％氧化细菌纤维素复合膜的： (e)X射线能谱图，(f)银元素分布图；

图4为几种不同复合膜的投射电镜照片，图中：(a)丝素蛋白/聚乙烯醇/纳米银，(b)丝素蛋白/聚乙烯醇/纳米银/7％氧化细菌纤维素；

图5蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜的热稳定性，图中：(a)热谱图，(b)微商热重分析曲线；

图6蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜的防紫外性能：(a)紫外光透过率，(b)氧化细菌纤维素含量对紫外线屏蔽性能的影响。

具体实施方式

下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1

一种蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜的制备方法，包括以下步骤：

S1.丝素蛋白/纳米银胶体溶液的制备：在浓度为2wt％的再生丝素蛋白水溶液中加入硝酸银，硝酸银和再生丝素蛋白水溶液的料液比为4mg：1mL，混合搅拌均匀得到丝素蛋白/硝酸银混合溶液，然后将在混合溶液辐照强度为200w﹒hr/m

S2.氧化细菌纤维素的制备：将细菌纤维素进行预处理，得到浓度为0.1wt％的细菌纤维素匀浆，然后在细菌纤维素匀浆中加入TEMPO/NaBr/NaClO的混合氧化体系，细菌纤维素， TEMPO，溴化钠和次氯酸钠的质量比为0.2:0.2:0.65:43.75，混合均匀后离心去除上清液，得到湿态TEMPO氧化细菌纤维素；

S3.蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜的制备：将丝素蛋白/纳米银胶体溶液和聚乙烯醇溶液混合后，加入甘油，甘油的质量为丝素蛋白和聚乙烯醇干重总和的5wt％，混合搅拌均匀后，在其中加入湿态TEMPO氧化细菌纤维素溶液，氧化细菌纤维素的质量为丝素蛋白和聚乙烯醇干重总和的1wt％，在冰浴环境下，超声处理得到混合溶液，最后采用溶液浇筑法，将混合溶液流延浇铸在平底器皿中，干燥形成纳米复合膜。

实施例2

一种蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜的制备方法，包括以下步骤：

S1.丝素蛋白/纳米银胶体溶液的制备：在浓度为2wt％的再生丝素蛋白水溶液中加入硝酸银，硝酸银和再生丝素蛋白水溶液的料液比为4mg：1mL，混合搅拌均匀得到丝素蛋白/硝酸银混合溶液，然后将在混合溶液辐照强度为200w﹒hr/m

S2.氧化细菌纤维素的制备：将细菌纤维素进行预处理，得到浓度为0.15wt％的细菌纤维素匀浆，然后在细菌纤维素匀浆中加入TEMPO/NaBr/NaClO的混合氧化体系，细菌纤维素， TEMPO，溴化钠和次氯酸钠的质量比为0.3:0.2:0.85:38.15，混合均匀后离心去除上清液，得到湿态TEMPO氧化细菌纤维素；

S3.蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜的制备：将丝素蛋白/纳米银胶体溶液和聚乙烯醇溶液混合后，加入甘油，甘油的质量为丝素蛋白和聚乙烯醇干重总和的8wt％，混合搅拌均匀后，在其中加入湿态TEMPO氧化细菌纤维素溶液，氧化细菌纤维素的质量为丝素蛋白和聚乙烯醇干重总和的1wt％，在冰浴环境下，超声处理得到混合溶液，最后采用溶液浇筑法，将混合溶液流延浇铸在平底器皿中，干燥形成纳米复合膜。

实施例3

一种蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜的制备方法，包括以下步骤：

S1.丝素蛋白/纳米银胶体溶液的制备：在浓度为2wt％的再生丝素蛋白水溶液中加入硝酸银，硝酸银和再生丝素蛋白水溶液的料液比为4mg：1mL，混合搅拌均匀得到丝素蛋白/硝酸银混合溶液，然后将在混合溶液辐照强度为300w﹒hr/m

S2.氧化细菌纤维素的制备：将细菌纤维素进行预处理，得到浓度为0.1wt％的细菌纤维素匀浆，然后在细菌纤维素匀浆中加入TEMPO/NaBr/NaClO的混合氧化体系，细菌纤维素， TEMPO，溴化钠和次氯酸钠的质量比为0.29075:0.1072:0.7572:40.956，混合均匀后离心去除上清液，得到湿态TEMPO氧化细菌纤维素；

S3.蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜的制备：将丝素蛋白/纳米银胶体溶液和聚乙烯醇溶液混合后，加入甘油，甘油的质量为丝素蛋白和聚乙烯醇干重总和的6wt％，混合搅拌均匀后，在其中加入湿态TEMPO氧化细菌纤维素溶液，氧化细菌纤维素的质量为丝素蛋白和聚乙烯醇干重总和的7wt％，在冰浴环境下，超声处理得到混合溶液，最后采用溶液浇筑法，将混合溶液流延浇铸在平底器皿中，干燥形成纳米复合膜。

实施例4

一种蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜的制备方法，包括以下步骤：

S1.丝素蛋白/纳米银胶体溶液的制备：在浓度为2wt％的再生丝素蛋白水溶液中加入硝酸银，硝酸银和再生丝素蛋白水溶液的料液比为4mg：1mL，混合搅拌均匀得到丝素蛋白/硝酸银混合溶液，然后将在混合溶液辐照强度为300w﹒hr/m

S2.氧化细菌纤维素的制备：将细菌纤维素进行预处理，得到浓度为0.1wt％的细菌纤维素匀浆，然后在细菌纤维素匀浆中加入TEMPO/NaBr/NaClO的混合氧化体系，细菌纤维素， TEMPO，溴化钠和次氯酸钠的质量比为0.29075:0.1072:0.7572:40.956，混合均匀后离心去除上清液，得到湿态TEMPO氧化细菌纤维素；

S3.蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜的制备：将丝素蛋白/纳米银胶体溶液和聚乙烯醇溶液混合后，加入甘油，甘油的质量为丝素蛋白和聚乙烯醇干重总和的6wt％，混合搅拌均匀后，在其中加入湿态TEMPO氧化细菌纤维素溶液，氧化细菌纤维素的质量为丝素蛋白和聚乙烯醇干重总和的3wt％，在冰浴环境下，超声处理得到混合溶液，最后采用溶液浇筑法，将混合溶液流延浇铸在平底器皿中，干燥形成纳米复合膜。

实施例5

一种蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜的制备方法，包括以下步骤：

S1.丝素蛋白/纳米银胶体溶液的制备：在浓度为2wt％的再生丝素蛋白水溶液中加入硝酸银，硝酸银和再生丝素蛋白水溶液的料液比为4mg：1mL，混合搅拌均匀得到丝素蛋白/硝酸银混合溶液，然后将在混合溶液辐照强度为300w﹒hr/m

S2.氧化细菌纤维素的制备：将细菌纤维素进行预处理，得到浓度为0.1wt％的细菌纤维素匀浆，然后在细菌纤维素匀浆中加入TEMPO/NaBr/NaClO的混合氧化体系，细菌纤维素， TEMPO，溴化钠和次氯酸钠的质量比为0.29075:0.1072:0.7572:40.956，混合均匀后离心去除上清液，得到湿态TEMPO氧化细菌纤维素；

S3.蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜的制备：将丝素蛋白/纳米银胶体溶液和聚乙烯醇溶液混合后，加入甘油，甘油的质量为丝素蛋白和聚乙烯醇干重总和的6wt％，混合搅拌均匀后，在其中加入湿态TEMPO氧化细菌纤维素溶液，氧化细菌纤维素的质量为丝素蛋白和聚乙烯醇干重总和的5wt％，在冰浴环境下，超声处理得到混合溶液，最后采用溶液浇筑法，将混合溶液流延浇铸在平底器皿中，干燥形成纳米复合膜。

实施例6

一种蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜的制备方法，包括以下步骤：

S1.丝素蛋白/纳米银胶体溶液的制备：在浓度为2wt％的再生丝素蛋白水溶液中加入硝酸银，硝酸银和再生丝素蛋白水溶液的料液比为4mg：1mL，混合搅拌均匀得到丝素蛋白/硝酸银混合溶液，然后将在混合溶液辐照强度为300w﹒hr/m

S2.氧化细菌纤维素的制备：将细菌纤维素进行预处理，得到浓度为0.1wt％的细菌纤维素匀浆，然后在细菌纤维素匀浆中加入TEMPO/NaBr/NaClO的混合氧化体系，细菌纤维素， TEMPO，溴化钠和次氯酸钠的质量比为0.29075:0.1072:0.7572:40.956，混合均匀后离心去除上清液，得到湿态TEMPO氧化细菌纤维素；

S3.蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜的制备：将丝素蛋白/纳米银胶体溶液和聚乙烯醇溶液混合后，加入甘油，甘油的质量为丝素蛋白和聚乙烯醇干重总和的6wt％，混合搅拌均匀后，在其中加入湿态TEMPO氧化细菌纤维素溶液，氧化细菌纤维素的质量为丝素蛋白和聚乙烯醇干重总和的7wt％，在冰浴环境下，超声处理得到混合溶液，最后采用溶液浇筑法，将混合溶液流延浇铸在平底器皿中，干燥形成纳米复合膜。

性能测试：

力学性能测试：根据ASTM D882-02《塑料薄板材抗拉特性的试验方法》标准，在配备100N 传感器的美国Instron 5545型万能材料试验机上测定蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜机械性能，将复合膜剪成1cm×5cm大小，试样夹持长度为2cm，拉伸速度为5mm/min，每个样品测5组数据，取平均值，获得复合膜的应力-应变曲线、断裂强度、拉伸模量、断裂伸长率等机械性能指标；

水接触角和水蒸气透过率测试：通过测量水接触角和水蒸气透过率来评价复合膜的亲水性和水蒸气阻隔性能。使用德国

从上表中可以看出，本发明制备的蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜在添加一定量的氧化细菌纤维素的情况下，复合膜的机械性能得到显著改善；复合膜中含有氧化细菌纤维素时，相比丝素蛋白/聚乙烯醇复合膜而言，蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜的亲水性能略有提升，水蒸气透过率随着氧化细菌纤维素含量的增加而增加，完全能够满足包装和伤口敷料等材料的使用要求；从蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜和丝素蛋白/聚乙烯醇/纳米银膜相比，氧化细菌纤维素的加入并未影响到复合膜的抗菌活性。

结合图3扫描电镜照片和图4投射电镜照片可以看出，纳米银在复合膜中能够均匀分布，并且随着氧化细菌纤维含量的增加，可以清晰的看到三维网状结构；结合图5丝素蛋白/聚乙烯醇/纳米银/氧化细菌纤维素复合膜仍具有较高的热稳定性，完全能够满足包装和伤口敷料等材料的使用要求；

最后从图6蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜的防紫外性能，可以看出丝素蛋白/聚乙烯醇 /纳米银/氧化细菌纤维复合膜的紫外线屏蔽效率随着氧化细菌纤维素含量的增加而提高，复合膜可以阻挡99.97-99.99％的UV-B(280-315nm)和99.17-99.97％的UV-A(315-400nm)。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。